研究人員已經證明了世界上第一個產生“超手性光”的超表面激光器：超高角動量的光。來自該激光器的光可用作光通信中的信息的“光學扳手”或用于對其進行編碼。

負責這項研究的南非約翰內斯堡威特沃特斯蘭德大學（Wits）物理學院Andrew Forbes教授說：“因為光可以攜帶角動量，這意味著它可以轉移到物質上。光攜帶的角動量越多，它可以轉移的越多。因此，您可以將光視為“光學扳手”，現(xiàn)在，您無需使用物理扳手來擰東西（例如擰緊螺母），而是照亮螺母，螺母會自動擰緊?！?/p>

新的激光器產生了一種新的高純度“扭曲光”，這是以前從未見過的，包括激光器報告的最高角動量。同時，研究人員開發(fā)了一種納米結構的超表面，該超表面具有迄今產生的最大相位梯度，并允許在緊湊的設計中進行大功率操作。這意味著世界上第一臺可根據(jù)需要產生扭曲結構光的奇特狀態(tài)的激光器。

Nature Photonics今天在線發(fā)布了這項研究，該研究是Wits與南非科學與工業(yè)研究委員會（CSIR），哈佛大學（美國），新加坡國立大學（新加坡），布魯塞爾自由大學（比利時）和CNST-通過喬瓦尼·帕斯科利（意大利）前往意大利技術基金會（Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia）之間合作完成的。

在他們的論文中：研究人員展示了一種可見的超表面激光產生的高純度軌道角動量狀態(tài)，該研究人員演示了一種新型激光可以產生任何所需的手性態(tài)光，并且可以完全控制光的兩個角動量（AM）分量，即自旋（偏振和光的軌道角動量（OAM）。

由哈佛小組設計的新型納米尺寸（比人的頭發(fā)的寬度細1000倍）提供的完全控制功能使激光器的設計成為可能。超表面由許多納米材料的細小桿組成，這些桿會在光線穿過時改變光線。光線多次穿過超表面，每次都經過新的扭曲。

“讓它與眾不同的是，這種材料具有自然界中找不到的特性，因此被稱為“超常材料”，一種可以相信的材料。由于結構非常小，它們僅出現(xiàn)在表面上一個超表面?！?/p>

結果是產生了至今為止還沒有從激光器觀察到的新形式的手性光，并且從源頭上完全控制了光的手性，從而解決了開放的挑戰(zhàn)。

Forbes說：“目前有很強的動力試圖用扭曲光來控制手性物質，而要使之起作用，則需要具有很高扭曲度的光：超級手性光?！?包括食品，計算機和生物醫(yī)學行業(yè)在內的各個行業(yè)和研究領域都需要超級手性光來改善其工藝。

Forbes說：“我們可以在物理機械系統(tǒng)不起作用的地方，例如在微流體系統(tǒng)中，使用這種類型的光來光學地驅動齒輪。使用該示例，目標是在芯片上而不是在大型實驗室中進行藥物治療，通常被稱為“芯片實驗室”。因為一切都很小，所以光用于控制移動周圍的物質或進行分類，諸如對好細胞和壞細胞進行分類。扭曲的光被用來驅動微物質，以使流動進行?！?/p>

“周期性”是化學中經常使用的術語，用來描述發(fā)現(xiàn)彼此互為鏡像的化合物。這些化合物具有“慣用性”，可以被認為是慣用左手或慣用右手的。例如，檸檬和橙子香精是相同的化合物，但只是“手性”不同。

光也是手性的，但具有兩種形式：自旋（偏振）和OAM。自旋AM類似于繞自身軸旋轉的行星，而OAM類似于繞太陽公轉的行星。

Forbes說：“從源頭控制光的手性是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，并且是非常熱門的話題，因為從光手性物質的控制到計量學到通信，有許多應用都需要它。完全的手性控制意味著控制光，偏振和OAM的全部角動量。”

由于設計限制和實施障礙，迄今為止，僅產生了非常小的手性態(tài)子集。已經設計出獨創(chuàng)的方案來控制OAM光束的螺旋度（自旋和線性運動的組合），但它們也仍然限于此對稱模式集。直到現(xiàn)在，還不可能寫下一些理想的手性并讓激光產生。

超表面激光

激光使用超表面注入具有超高角動量的光，使其在相位上具有空前的“扭曲”，同時還能控制偏振。通過任意的角動量控制，可以打破標準的自旋軌道對稱性，使第一臺激光器在光源處產生對光的完全角動量控制。

超表面由精心制作的納米結構構成，以產生所需的效果，并且是迄今為止制造的最極端的OAM結構，具有迄今報道的最高相梯度。超表面的納米分辨率使得低損耗和高損傷閾值的高質量渦旋成為可能，從而使激光成為可能。

結果是一臺激光器可以同時激發(fā)10和100的OAM狀態(tài)，這是迄今為止激光器報告的最高AM。在特殊情況下，超表面被設置為產生對稱狀態(tài)，然后激光器會產生從定制結構光激光器報告的所有先前的OAM狀態(tài)。

“最重要的一點是，我們的方法適用于許多激光器體系結構。例如，我們可以增加增益體積和超表面尺寸來生產大功率的大體積激光器，或者可以使用以下方法將系統(tǒng)縮小到芯片上單片超表面設計，” Forbes說。

“在兩種情況下，激射模式都將由泵的偏振控制，除了超表面本身之外，不需要腔內元素。我們的工作代表了將批量激光器研究與片上器件研究相結合的重要一步?！?/p>

論文標題《High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser》。