研究人員已經證明了世界上第一個(ge) 產(chan) 生“超手性光”的超表麵激光器：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”或用於(yu) 對其進行編碼。

負責這項研究的南非約翰內(nei) 斯堡威特沃特斯蘭(lan) 德大學（Wits）物理學院Andrew Forbes教授說：“因為(wei) 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(wei) “光學扳手”，現在，您無需使用物理扳手來擰東(dong) 西（例如擰緊螺母），而是照亮螺母，螺母會(hui) 自動擰緊。”

新的激光器產(chan) 生了一種新的高純度“扭曲光”，這是以前從(cong) 未見過的，包括激光器報告的最高角動量。同時，研究人員開發了一種納米結構的超表麵，該超表麵具有迄今產(chan) 生的最大相位梯度，並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台可根據需要產(chan) 生扭曲結構光的奇特狀態的激光器。

Nature Photonics今天在線發布了這項研究，該研究是Wits與(yu) 南非科學與(yu) 工業(ye) 研究委員會(hui) （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(qiao) 瓦尼·帕斯科利（意大利）前往意大利技術基金會(hui) （Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia）之間合作完成的。

在他們(men) 的論文中：研究人員展示了一種可見的超表麵激光產(chan) 生的高純度軌道角動量狀態，該研究人員演示了一種新型激光可以產(chan) 生任何所需的手性態光，並且可以完全控製光的兩(liang) 個(ge) 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（比人的頭發的寬度細1000倍）提供的完全控製功能使激光器的設計成為(wei) 可能。超表麵由許多納米材料的細小杆組成，這些杆會(hui) 在光線穿過時改變光線。光線多次穿過超表麵，每次都經過新的扭曲。

“讓它與(yu) 眾(zhong) 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(wei) “超常材料”，一種可以相信的材料。由於(yu) 結構非常小，它們(men) 僅(jin) 出現在表麵上一個(ge) 超表麵。”

結果是產(chan) 生了至今為(wei) 止還沒有從(cong) 激光器觀察到的新形式的手性光，並且從(cong) 源頭上完全控製了光的手性，從(cong) 而解決(jue) 了開放的挑戰。

Forbes說：“目前有很強的動力試圖用扭曲光來控製手性物質，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，計算機和生物醫學行業(ye) 在內(nei) 的各個(ge) 行業(ye) 和研究領域都需要超級手性光來改善其工藝。

Forbes說：“我們(men) 可以在物理機械係統不起作用的地方，例如在微流體(ti) 係統中，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(wei) “芯片實驗室”。因為(wei) 一切都很小，所以光用於(yu) 控製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。”

“周期性”是化學中經常使用的術語，用來描述發現彼此互為(wei) 鏡像的化合物。這些化合物具有“慣用性”，可以被認為(wei) 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，但隻是“手性”不同。

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

Forbes說：“從(cong) 源頭控製光的手性是一項具有挑戰性的任務，並且是非常熱門的話題，因為(wei) 從(cong) 光手性物質的控製到計量學到通信，有許多應用都需要它。完全的手性控製意味著控製光，偏振和OAM的全部角動量。”

由於(yu) 設計限製和實施障礙，迄今為(wei) 止，僅(jin) 產(chan) 生了非常小的手性態子集。已經設計出獨創的方案來控製OAM光束的螺旋度（自旋和線性運動的組合），但它們(men) 也仍然限於(yu) 此對稱模式集。直到現在，還不可能寫(xie) 下一些理想的手性並讓激光產(chan) 生。

超表麵激光

激光使用超表麵注入具有超高角動量的光，使其在相位上具有空前的“扭曲”，同時還能控製偏振。通過任意的角動量控製，可以打破標準的自旋軌道對稱性，使第一台激光器在光源處產(chan) 生對光的完全角動量控製。

超表麵由精心製作的納米結構構成，以產(chan) 生所需的效果，並且是迄今為(wei) 止製造的最極端的OAM結構，具有迄今報道的最高相梯度。超表麵的納米分辨率使得低損耗和高損傷(shang) 閾值的高質量渦旋成為(wei) 可能，從(cong) 而使激光成為(wei) 可能。

結果是一台激光器可以同時激發10和100的OAM狀態，這是迄今為(wei) 止激光器報告的最高AM。在特殊情況下，超表麵被設置為(wei) 產(chan) 生對稱狀態，然後激光器會(hui) 產(chan) 生從(cong) 定製結構光激光器報告的所有先前的OAM狀態。

“最重要的一點是，我們(men) 的方法適用於(yu) 許多激光器體(ti) 係結構。例如，我們(men) 可以增加增益體(ti) 積和超表麵尺寸來生產(chan) 大功率的大體(ti) 積激光器，或者可以使用以下方法將係統縮小到芯片上單片超表麵設計，” Forbes說。

“在兩(liang) 種情況下，激射模式都將由泵的偏振控製，除了超表麵本身之外，不需要腔內(nei) 元素。我們(men) 的工作代表了將批量激光器研究與(yu) 片上器件研究相結合的重要一步。”

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