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世界第1臺“超手性光”激光器誕生

星之球科技 來源:澎湃新聞·澎湃號·湃客2020-06-09 我要評論(0 )   

封面圖來源:School of Physics, University of the Witwatersrand01導(dǎo)讀利用激光器產(chǎn)生高純度的“扭曲光”以及產(chǎn)生相當(dāng)高的角動(dòng)量(AM),這在之前所有報(bào)道過激光器的...

封面圖來源:School of Physics, University of the Witwatersrand

01
導(dǎo)讀
利用激光器產(chǎn)生高純度的“扭曲光”以及產(chǎn)生相當(dāng)高的角動(dòng)量(AM),這在之前所有報(bào)道過激光器的文獻(xiàn)中還未曾有過。
近日,來自南非金山大學(xué)(University of the Witwatersrand)的 Andrew Forbes 等研究人員在 Nature Photonics 發(fā)表了這一突破性的研究成果。
在這篇論文中,研究人員展示了一種新的激光器,它可以產(chǎn)生任意理想的手性光狀態(tài),并可以用來完全控制光的角動(dòng)量(AM)、光的自旋角動(dòng)量(SAM)和軌道角動(dòng)量(OAM)。
02
背景介紹

圖1. 多彩斑斕的結(jié)構(gòu)光場
對光進(jìn)行結(jié)構(gòu)定制,使其能夠高效的產(chǎn)生特定的光場分布以及其它有特殊用途的屬性,已被科研工作者們廣泛研究。如圖1所示,展示了多彩斑斕的結(jié)構(gòu)光場圖樣。而對于結(jié)構(gòu)光的應(yīng)用,也已經(jīng)在高寬帶光通信、高維量子通信、顯微成像和光操作等各個(gè)領(lǐng)域中得到了實(shí)際的推廣。
在多彩斑斕的結(jié)構(gòu)光中,其中有一種非常重要的屬性就是光的手性。光具有手性特征,并且具有兩種形式:自旋角動(dòng)量(SAM)和軌道角動(dòng)量(OAM)。
自旋SAM類似于行星圍繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),例如:地球的自轉(zhuǎn);而軌道OAM類似于行星圍繞太陽旋轉(zhuǎn),例如:地球的公轉(zhuǎn)。手性光攜帶有自旋角動(dòng)量(SAM)和軌道角動(dòng)量(OAM),而軌道角動(dòng)量的存在是由于具有螺旋形相位波前而特有的屬性。因此,這樣的光我們也稱之為軌道角動(dòng)量光。而且通??梢酝ㄟ^動(dòng)態(tài)幾何相位轉(zhuǎn)化的方式,將自旋和軌道角動(dòng)量進(jìn)行有效耦合,產(chǎn)生具有更多手性控制的矢量軌道角動(dòng)量光。但是,怎樣能夠有效的控制光的手性仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
目前,雖然有一些方法可以實(shí)現(xiàn)光手性的控制。例如:通過幾何相位產(chǎn)生對稱的OAM光、利用集成芯片裝置、利用有源激發(fā)還有特種光纖激光器產(chǎn)生等。但是,這些前沿的方式都有一定的缺陷,其缺陷主要集中在兩個(gè)方面,分別是:利用幾何相位和拓?fù)涔庾訒r(shí)有基本對稱性的限制;其次是器件可實(shí)施的限制,例如,光學(xué)元件的物理尺寸和空間分辨率的限制。
雖然,這些光手性控制的方式都是極其重要的??墒牵鯓哟蚱谱孕蛙壍礼詈系幕緦ΨQ性,來進(jìn)行任意的手性光的產(chǎn)生,是一個(gè)需要突破解決的問題。
其次,在量子力學(xué)研究中的玻色-愛因斯坦凝聚、結(jié)構(gòu)光遙感測繪、進(jìn)行精確的旋轉(zhuǎn)測量,以及進(jìn)行手性介質(zhì)的計(jì)量和提升更大的光子信息容量等方面的研究中,具有高角動(dòng)量的超手性光在許多基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究中都具有重要意義。
然而,任意角動(dòng)量光的控制,需要有能力來產(chǎn)生一個(gè)任意耦合的自旋和軌道角動(dòng)量光。這種狀態(tài)的光,可以通過用戶已經(jīng)定義好的偏振態(tài)來耦合任意、不同的和非對稱的OAM來實(shí)現(xiàn)。
那么就可以有一個(gè)比對稱OAM態(tài)特殊的、大無窮倍的集合產(chǎn)生,從而允許獲得具有高角動(dòng)量的超手性光??墒?,現(xiàn)實(shí)的情況下卻并非實(shí)際想的這樣,如圖2所示,目前,有報(bào)道中產(chǎn)生的OAM激光只能有對稱的正負(fù)自旋量子數(shù)和正負(fù)軌道量子數(shù)的疊加,這樣產(chǎn)生的總的角動(dòng)量數(shù)為零,并且最大的軌道量子數(shù)也只到了±10。

圖2. 軌道量子數(shù)為±10的OAM激光器
在本篇文章中,作者報(bào)到了一種超表面增強(qiáng)激光的方法,來克服自旋與軌道耦合這一限制。作者提到的這種方法是對早先提出的對稱自旋和軌道耦合設(shè)備的一個(gè)巨大反差(指作者在2016年發(fā)表的文章,如圖2所示),設(shè)備可輸出的高純度OAM光的量子數(shù)即拓?fù)浜蓴?shù)可以達(dá)到100,并且可以同時(shí)產(chǎn)生不受約束的OAM變量為90的非對稱的矢量渦旋。
這種超表面激光器可以方便地輸出可見光,產(chǎn)生新的光OAM態(tài),以及產(chǎn)生以前報(bào)道過的所有激光的OAM模式。
這可能為我們的生活提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、功率可調(diào)的光源,最為關(guān)鍵的是利用腔內(nèi)結(jié)構(gòu)物質(zhì)(超表面)可以產(chǎn)生任意手性結(jié)構(gòu)光,這也是對超表面進(jìn)行實(shí)用化的一大突破性進(jìn)展。
03
創(chuàng)新研究
3.1
超表面J-板

圖3. 超表面J-板示意圖和相位調(diào)制曲線
在這項(xiàng)工作中,作者們主要是設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的超表面手性光激光器。在這個(gè)自旋軌道耦合設(shè)備中,最關(guān)鍵的一個(gè)器件就是由電介質(zhì)二氧化鈦納米磚構(gòu)成的超表面,如圖3a所示。超表面上每一個(gè)納米磚的高度為600納米,其長度和寬帶能夠改變,從而它們可以在可見光532納米波段進(jìn)行相位調(diào)制,調(diào)制曲線如圖3b所示。

表1. 制作的三塊超表面J-板
在本文中,作者們制作了三塊超表面J-板,如表1所示。JP1用來實(shí)現(xiàn)原先作者們提出的方案(2016年發(fā)表的文章),即實(shí)現(xiàn)線性對稱的自旋和軌道耦合轉(zhuǎn)換,但是轉(zhuǎn)換的軌道量子數(shù)只能是正負(fù)軌道量子數(shù)的疊加,并且總角動(dòng)量為零。而JP2和JP3超表面J-板是本文中的重點(diǎn),它們可以實(shí)現(xiàn)任意的兩個(gè)正交偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換,并且可以生成任意的OAM模式。

圖4. 超表面J-板JP3的相位分布和JP2、JP3的SEM圖以及局部放大
如圖4所示,c為JP3的相位分布圖像,JP3最大的特點(diǎn)是其軌道角動(dòng)量數(shù)達(dá)到了100,制作這么高的相位梯度超表面也是第一報(bào)道。由于超多的納米結(jié)構(gòu)在相位分布上,所以JP3看起來是彩色的,由于散射共振的作用。e和f是超表面JP2和JP3的掃描電鏡SEM圖,這些納米結(jié)構(gòu)具有不同的形狀和方向,從而能夠?qū)崿F(xiàn)所需的相位梯度變化,g圖顯示了超表面上納米結(jié)構(gòu)的典型特殊構(gòu)造。
3.2
腔內(nèi)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

圖5. 超表面軌道角動(dòng)量光激光器示意圖
如圖5.所示,是產(chǎn)生高純度渦旋光激光器的示意圖。一個(gè)常見的Nd:YAG半導(dǎo)體固體激光器腔,利用非線性KTP晶體實(shí)現(xiàn)倍頻轉(zhuǎn)換,輸出532納米的綠光。超表面J-板被放置在綠色諧振腔內(nèi),用來提供一個(gè)幾何相位,就這樣一個(gè)產(chǎn)生可見光的超表面輔助激光器完成了。其最主要的是利用了超表面J-板,能夠?qū)崿F(xiàn)將SAM和OAM的耦合。

圖6. 超表面激光器腔內(nèi)光的變化動(dòng)態(tài)圖
在激光腔內(nèi),光多次穿過超表面,如圖6.動(dòng)態(tài)所示。開始是一個(gè)水平偏振無OAM的光,然后被超表面轉(zhuǎn)化為一個(gè)與J-板快軸角有關(guān)的正弦和余弦疊加的組合模式。在這個(gè)過程中大多數(shù)一般的OAM狀態(tài)都能夠保留下來,這種狀態(tài)在以前的任何腔內(nèi)激光器中都未曾報(bào)道過。
與以前的設(shè)計(jì)相比,目前的設(shè)計(jì)減少了光學(xué)器件的數(shù)量和腔的復(fù)雜性。并且在作者的設(shè)計(jì)中,模式可在晶體內(nèi)重疊,確保了空間相干的一致性,即使在輸出端沒有任何空間重疊。所以,在這種正弦和余弦疊加的復(fù)合模式下,在每次往返的過程中對激光的角動(dòng)量實(shí)現(xiàn)控制是有可能的。
3.3
實(shí)現(xiàn)任意角動(dòng)量的控制

圖7 先前結(jié)果的再現(xiàn)—實(shí)現(xiàn)對稱的OAM態(tài)
圖7展示的是超表面JP1所實(shí)現(xiàn)的功能,它生成的是一種對稱模式。通過先前報(bào)道的幾何相位,來產(chǎn)生線偏振高階彭加萊態(tài)(HOPS)共軛的OAM態(tài)。其輸出的模式強(qiáng)度是一個(gè)環(huán)形的分布,在超表面的旋轉(zhuǎn)變化中這種狀態(tài)依然可以保留,通過模態(tài)分析也可以證明OAM態(tài)的存在,在補(bǔ)充材料中作者們做了詳細(xì)介紹。

圖8. 隨著與J-板水平方向夾角的變換OAM譜的變化和混合矢量模式
為了展示可實(shí)現(xiàn)任意的角動(dòng)量(AM)的控制,作者們利用JP2來實(shí)現(xiàn)了對稱OAM態(tài)1和5的輸出。如圖8c所示,輸出模式在1和5之間按照正弦和余弦的變化對稱輸出。在兩端都可以達(dá)到100%的模態(tài)輸出,在中間段會(huì)出現(xiàn)疊加態(tài),包括出現(xiàn)相等的OAM分?jǐn)?shù)態(tài)。
其次是出現(xiàn)了一個(gè)更奇異的矢量混合態(tài),如圖8d所示。它的出現(xiàn)不像人們原先想的,會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疊加態(tài)到6的奇異混合態(tài),而是一個(gè)為1的渦旋中心周圍有四個(gè)奇異點(diǎn)。這個(gè)現(xiàn)象和作者們做的理論預(yù)測是相符的,如圖8d的插圖所示。這也說明了,這里的J-板超表面激光器不但能夠產(chǎn)生原先已有的模式,而且還能產(chǎn)生更加奇異的光態(tài)。

圖9. JP3產(chǎn)生廣義的OAM態(tài)
如圖9.所示,分析產(chǎn)生了更為一般的角動(dòng)量的控制。在利用超表面JP3形成的自旋軌道耦合的激光器中,輸出態(tài)是從10到了100,輸出的拓?fù)浜蓴?shù)的變化量達(dá)到了90。與前面對稱模式的區(qū)別在于,這里產(chǎn)生的模態(tài)是一個(gè)嵌套疊加的模式。伴隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化,在廣義的彭加萊球面上,可以明顯的看到這種變化。
這種狀態(tài)可以理解為當(dāng)l1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于l2時(shí),每一種狀態(tài)都可以共存,但是在超表面之后每一個(gè)空間模式都會(huì)在不同的區(qū)域出現(xiàn),而在晶體中重疊是為了更好的產(chǎn)生相干性。
3.4
模式純度分析

圖10. 拓?fù)浜蓴?shù)為10的OAM激光腔內(nèi)、外模式純度
在圖10.中,作者分析了拓?fù)浜蓴?shù)為10的OAM激光的模式純度,藍(lán)色是腔內(nèi)模式,紅色對應(yīng)腔外模式。我們可以看到,在激光腔內(nèi)OAM的模式純度能夠達(dá)到92%,使用腔外超表面轉(zhuǎn)化的模式純度是72%。
顯而易見的是,在腔內(nèi)的轉(zhuǎn)化中主要集中在對應(yīng)徑向階數(shù)P等于零的理想態(tài),而在腔外轉(zhuǎn)換中很多會(huì)向高階徑向態(tài)轉(zhuǎn)化過去。圖10中下方的數(shù)據(jù)曲線,很好的說明了腔內(nèi)產(chǎn)生純的超高OAM態(tài)的情況,這種情況可以用徑向模式p在腔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一種阻尼振蕩來解釋。圖10中的b和c分別顯示的是,腔內(nèi)和腔外產(chǎn)生拓?fù)浜蓴?shù)為10的模態(tài)的直接圖樣。

圖11. 拓?fù)浜蓴?shù)為100的OAM激光腔外、內(nèi)模式純度
在圖11.中,展示的是超高OAM數(shù)的模式純度。圖11.d表示外部模式,圖11.e表示內(nèi)部模式。從直觀的看,我們也可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部模式明顯優(yōu)于外部模式。在數(shù)據(jù)測量上,對于純度為71%的OAM模式,腔外轉(zhuǎn)化中只有13%的徑向?yàn)榱?,角向?yàn)?00的純度。而對于腔內(nèi)轉(zhuǎn)化來說,純度高達(dá)90%。圖11.f中的數(shù)據(jù)條顯示,紅色棒狀是腔外模式譜,藍(lán)色柱狀是腔內(nèi)模式譜,與上面的數(shù)據(jù)說明是一致的。圖11.g表示的在相同的束腰條件下,紅色棒狀顯示的腔外模式轉(zhuǎn)化的純度,藍(lán)色顯示本文中提到的諧振腔轉(zhuǎn)化的純度。
總的來說,作者們在此提出的OAM激光器可以產(chǎn)生更高、更純的軌道角動(dòng)量光。并且,作者也提到在通過合理的設(shè)計(jì)諧振腔的參數(shù)以及通過濾波等的方法,OAM激光的模式還可以進(jìn)一步提高。
04
結(jié)論與展望
作者在本文中展示了一種可產(chǎn)生超高超純OAM光的超表面激光器,為超表面的實(shí)用化又邁出了積極的一步。
其次,作者在本文中提出的方法具有廣泛性。不論是大功率的體激光器還是芯片集成的微納激光器,都可以通過控制腔內(nèi)偏振旋轉(zhuǎn)、超表面的結(jié)構(gòu)和增益介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)。他們的工作為大型OAM激光器和微芯片OAM激光器的研究開發(fā),提供了很好的思路。
總而言之,作者們在本文中第一次描述了一種可產(chǎn)生超高超純OAM態(tài)的超表面激光器。不論是之前報(bào)道過的OAM態(tài),還是之前沒有報(bào)道過的激光手性模式,在超表面激光器中都可以實(shí)現(xiàn)。這種新型可控角動(dòng)量的激光器,在性能、功率等方面,都為優(yōu)質(zhì)軌道角動(dòng)量光源的產(chǎn)生提供了可行的路線。
文章信息:
該成果以“ High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser ”為題發(fā)表在 Nature Photonics 期刊。
論文地址:
https://doi.org/10.1038/s41566-020-0623-z


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