Создан первый в мире сверххиральный свет, излучаемый новым лазером с метаслойной поверхностью

Исследователи продемонстрировали первый в мире лазер с метаслойной поверхностью, который генерирует сверххиральный свет или свет со сверхвысоким угловым моментом. Свет от этого лазера может использоваться в качестве типа “оптического гаечного ключа” для кодирования информации в оптических коммуникациях.

“Поскольку свет может нести момент импульса, это означает, что он может быть передан материи. Чем больше угловой момент несет свет, тем больше он может передать. Таким образом, вы можете думать о свете как о оптическом гаечном ключе”, – сказал профессор Эндрю Форбс из Школы физики в Университете Витватерсранда (Витс) в Йоханнесбурге, Южная Африка, который руководил исследованием. – “Вместо того, чтобы использовать физический гаечный ключ для закручивания вещей (например, завинчивание гаек), теперь вы можете зажечь свет на гайке, и она затянется сама”.

Новый лазер генерирует новый скрученный свет высокой чистоты, ранее не наблюдавшийся от лазеров, включая самый высокий угловой момент, зарегистрированный лазером. Одновременно исследователи разработали наноструктурированную метаповерхность, которая имеет самый большой из когда-либо созданных фазовых градиентов и позволяет работать в условиях высокой мощности в компактной конструкции. Это первый в мире лазер для создания экзотических состояний витого структурированного света по требованию.

В своей работе под названием “Высокочистые состояния орбитального момента импульса от видимого метасовременного лазера” исследователи демонстрируют новый лазер для создания любого желаемого кирального состояния света с полным контролем обеих составляющих углового момента света (AM), спин (поляризация) и орбитальный момент импульса света (ОАМ).

Конструкция лазера стала возможной благодаря полному контролю, предлагаемому новой лазерной метаповерхностью нанометрового размера (в 1000 раз меньшей ширины человеческого волоса), разработанной Гарвардской группой. Метаповерхность состоит из множества крошечных стержней из наноматериала, которые изменяют свет при прохождении. Свет проходит через поверхность метазерса много раз, каждый раз получая новый поворот.

“Что делает его особенным, так это то, что для света материал обладает свойствами, которые невозможно найти в природе, и поэтому его называют метаматериалом – вымышленным материалом. Поскольку структуры были такими маленькими, они появлялись только на поверхности, создавая метаповерхность”.

Результатом является генерация новых форм кирального света, которые до сих пор не наблюдались в лазерах, и полный контроль хиральности света в источнике, что дает ученым новые уникальные возможности.

“В настоящее время существует сильное стремление контролировать киральную материю с помощью скрученного света, и чтобы это работало, вам нужен свет с очень высокой закруткой – супер-хиральный свет”, – говорит Форбс. Различные отрасли и области исследований нуждаются в сверххиральном свете для улучшения своих процессов, в том числе в пищевой, компьютерной и биомедицинской отраслях.

“Мы можем использовать этот тип света для оптического привода, где физические механические системы не будут работать, например, в микрожидкостных системах для управления потоком”, – говорит Форбс. – “Используя этот пример, цель состоит в том, чтобы проводить лекарство на чипе, а не в большой лаборатории, и обычно называется “лаборатория на чипе”. Поскольку все мало, для контроля используется свет: для перемещения и сортировки, например, хороших и плохих клеток. Витой свет используется для управления микро-механизмами, чтобы привести поток в движение, и имитировать центрифуги со светом”.

Хиральный вызов

Хиральность – это термин, часто используемый в химии для описания соединений, которые встречаются как зеркальные отражения друг друга. Эти соединения имеют направленность и могут рассматриваться как правосторонние или левосторонние. Например, ароматизаторы лимона и апельсина – это одно и то же химическое соединение, но они отличаются только своей “управляемостью”.

Свет также является киральным, но имеет две формы: спин (поляризация) и ОАМ. Спин похож на планеты, вращающиеся вокруг своей оси, в то время как OAM похож на планеты, вращающиеся вокруг Солнца.

“Контроль хиральности света в источнике является сложной задачей и очень актуален из-за множества приложений, которые требуют его, от оптического контроля кирального вещества до метрологии и связи”, – говорит Форбс. – “Полный киральный контроль подразумевает контроль полного углового момента света, поляризации и OAM”.

Из-за конструктивных ограничений и препятствий реализации к настоящему времени было получено только очень небольшое подмножество киральных состояний. Изобретенные схемы были разработаны для управления спиральностью (комбинацией вращения и линейного движения) пучков ОАМ, но они также остаются ограниченными этим симметричным набором мод. До сих пор не было возможности записать желаемое киральное состояние света и получить его с помощью лазера.

Метасовременный лазер

Лазер использовал метаповерхность, чтобы наполнить свет сверхвысоким угловым моментом, придав ему беспрецедентный поворот в своей фазе, одновременно контролируя поляризацию. Посредством произвольного управления угловым моментом стандартная спин-орбитальная симметрия может быть нарушена, чтобы первый лазер обеспечивал полное управление угловым моментом света в источнике.

Метаповерхность была построена из тщательно обработанных наноструктур для получения желаемого эффекта и является самой экстремальной структурой ОАМ, которая была изготовлена ​​на сегодняшний день, с самым высоким из всех зарегистрированных фазовых градиентов. Нанометровое разрешение метаповерхности сделало возможным создание высококачественного вихря с низкими потерями и высоким порогом повреждения, что делает возможным использование лазера.

В результате был получен лазер, который мог одновременно воздействовать на состояния ОАМ 10 и 100 для самого высокого зарегистрированного АМ от лазера на сегодняшний день. В особом случае, когда метаповерхность настроена на создание симметричных состояний, лазер затем генерирует все предшествующие состояния OAM, сообщаемые от нестандартных структурированных световых лазеров.

Идти вперед

“Что нам особенно нравится, так это то, что наш подход подходит для многих лазерных архитектур. Например, мы могли бы увеличить объем усиления и размер метаповерхности, чтобы получить объемный лазер для мощных лазеров, или мы могли бы сжать систему до микросхемы с использованием монолитной конструкции с метасоверхностью”, – говорит Форбс.

“В обоих случаях режим генерации будет контролироваться поляризацией накачки, не требуя никаких внутрирезонаторных элементов, кроме самой поверхности метазерна. Наша работа представляет собой важный шаг на пути к объединению исследований в области массовых лазеров с исследованиями на чипах”.

По материалам Techxplore