導讀：研究人會(hui) 研究出一個(ge) 新的超表麵激光可以發射出高純、非對稱的超手性光 ，同時具有前所未有的在源頭上進行控製角動量的能力。

一個(ge) 新的超表麵激光可以發射出高純、非對稱的超手性光 ，同時具有前所未有的在源頭上進行控製角動量的能力。

結構光是指對激光在任一自由度通過定製或者整形的辦法進行調製。最近發展的結構光支持的應用有（包括但不限於(yu) ）光學通訊、提高圖像的成像分辨率 、光捕獲和鑷合等。 手征光 是結構光領域中最重要的一種，可以攜帶自旋角動量（± 每光子, 取決(jue) 於(yu) 用右手或左手的習(xi) 慣）和軌跡角動量（OAM, 每光之子, 此處的 為(wei) 整數）。

圖2 紀念激光誕生60周年

這一領域的一個(ge) 公開的挑戰就是在源頭上任意控製光的手性——自旋和軌道。因此，該技術的推動發展受到基本的對稱性限製和光學元件空間分辨率的限製。早期的研究基本上是通過總的角動量為(wei) 零的狀態來實現，並且後者在產(chan) 生高的OAM（軌跡角動量）值的時候限製了其純度和效率。具有高角動量得超手性光在許多基礎領域和應用研究中具有非常重要得地位。光的任意角動量在源頭上進行控製依然難以捉摸。

圖3 OAM（軌跡角動量） (m, n) = (1, 5) 在線性極化基的條件下運行時的典型的J板設計的示意圖

可以相信，該項研究是第一個(ge) 展示激光可以在內(nei) 腔超表麵製造出任一理想的角動量狀態。這一研究表明新的高純OAM（軌跡角動量）狀態具有的量子數可以達到100，並且具有非對稱矢量渦旋光束，同時激光在獨立的OAM（軌跡角動量）狀態具有的量子數為(wei) 不同的90的量值。激光可以方便的在可見光波段進行輸出，提供一個(ge) 緊湊的功率可擴展的光源，其利用內(nei) 腔 結構介質來創造任意手性態的結構光。這一研究結果為(wei) 超表麵激光的革新和應用開創了新紀元。

圖4 超表麵激光在OAM數為(wei) 100時製造超手性扭曲光 的具有藝術家形式的印象

圖5 具有內(nei) 腔非線性晶體(ti) （KTP）、兩(liang) 極化和超表麵的 激光諧振腔的示意圖，通過和國內(nei) 外泵浦進行激發，

超表麵激光

激光，見示意圖圖5，是一個(ge) 倍頻腔，可以通過內(nei) 腔非線性晶體(ti) （KTP）實現將ND：YAG(λ = 1064 nm) 激光的紅外基頻 轉換為(wei) 二次諧波綠激光 (λ = 532 nm)，每次激光通過J-板的時候，一個(ge) 特殊的扭曲 就會(hui) 增加到光光束波前。由於(yu) 光和超表麵器件的互惠，光就會(hui) 在每個(ge) 激光內(nei) 部的循環旅行中返回到它的起始狀態。並且其係統內(nei) 部TAM的保護就會(hui) 得到維持。從(cong) 腔輸出的模式可以僅(jin) 僅(jin) 通過旋轉J板的角度θ來進行簡化。這同改變極化的狀態幾乎時等價(jia) 的。這一改變可以被超表麵非常清晰的“觀察”到。姐u共，一個(ge) 理想的模式結合就誕生了，專(zhuan) 業(ye) i狀態在以前時不曾采用激光倆(lia) 實現過。

圖6 超扭曲光的應用： (a)有選擇的光捕獲和鑷合；(b)納米製造用光學扳手 ；(c)光通信與(yu) 量子協議

超表麵激光非常吸引人的地方在於(yu) 多個(ge) 方麵的原因。例如，它可以用來進行不同的設計，這意味著它可以調製成更加適應其應用場景下的物理參數。由於(yu) 超表麵器件具有更高的破壞閾值，其增益內(nei) 腔 可以用來製造塊體(ti) 的高功率激光，甚至是壓縮成單片/微芯片設計。在這兩(liang) 個(ge) 場合，其共振模式可以通過泵浦極化來控製，這樣就可以不需要額外的內(nei) 腔元件 ，僅(jin) 僅(jin) 適用該超表麵即可實現。

展望於(yu) 未來的發展機會(hui)

超表麵激光是結構光激光發展曆史上的一個(ge) 裏程碑，這是因為(wei) 它打破了自旋軌道耦合對稱性，並且可以促進新的高純OAM狀態的激光的誕生。激光的設計，以及前麵描述到的超表麵，可以促使實現前所未有的對光的整個(ge) 角動量的（手征（空間的螺旋特性））從(cong) 源頭上進行控製。

這一技術可以導致許多激光結構 的誕生，例如，這一類型的光可以用來製造光學傳(chuan) 動齒輪 ，這一應用場景是物理機械係統本身不會(hui) 工作的場合，如微流體(ti) 機械係統導致的驅動（見圖6 a）。在當前，人們(men) 對控製具有扭曲光 的手性物質 非常感興(xing) 趣，對於(yu) 這一工作，扭曲光是非常需要的。非對稱的輸出模式可以用來光學捕獲，進行分離細胞或粒子，這是因為(wei) 光束具有散射力 。這一類型的光還可以用來作為(wei) 納米製造工程中的光學扳手（見圖6b）。此外，信息還可以儲(chu) 存在光學通訊的狀態中和用來發揮量子協議的效用。

關(guan) 於(yu) 論文作者

Yao-Wei Huang是哈佛大學的博士後。 Hend Sroor 是上海科技大學的博後後研究人員，在這之前是在威特沃特斯蘭(lan) 德大學從(cong) 事研究工作。

Darryl Naidoo是在 CSIR的國家激光中心擔任首席研究員。

References

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