Forskare har visat världens första metasuraser som producerar "superkiralt ljus":ljus med ultrahög vinkelmoment. Ljuset från denna laser kan användas som en typ av "optisk nyckel" till eller för kodning av information i optisk kommunikation.

"Eftersom ljus kan bära vinkelmoment, det betyder att detta kan överföras till materia. Det mer kantiga momentumljuset bär, ju mer den kan överföra. Så du kan tänka på ljuset som en "optisk nyckel", "Professor Andrew Forbes från School of Physics vid University of the Witwatersrand (Wits) i Johannesburg, Sydafrika, som ledde forskningen. "Istället för att använda en fysisk nyckel för att vrida saker (som att skruva muttrar), nu kan du lysa på muttern och den kommer att dra åt sig. "

Den nya lasern producerar ett nytt "tvinnat ljus" med hög renhet som inte observerats från lasrar tidigare, inklusive den högsta vinkelmomentet som rapporterats från en laser. Samtidigt utvecklade forskarna en nanostrukturerad metasyta som har den största fasgradienten som någonsin producerats och möjliggör högeffektsdrift i en kompakt design. Implikationen är en världsledande laser för att producera exotiska tillstånd av vriden strukturerat ljus, på begäran.

Nature Photonics publicerade idag den forskning som gjordes som ett samarbete mellan Wits och Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) i Sydafrika, Harvard University (USA), National University of Singapore (Singapore), Vrije Universiteit Brussel (Belgien) och CNST — Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli (Italien).

I deras papper med titeln:Hög renhet orbitala vinkelmomenttillstånd från en synlig meta-ytlaser, forskarna visar en ny laser för att producera önskat kiralt ljus, med full kontroll över båda vinkelmomentet (AM) komponenter av ljus, spin (polarisering) och orbital vinkelmoment (OAM) av ljus.

Laserdesignen möjliggörs av den fullständiga kontrollen som erbjuds av en ny nanometerstorlek (1000 gånger mindre än bredden på ett människohår) metasytan-designad av Harvard-gruppen-inom lasern. Metasytan består av många små stavar av nanomaterial, som förändrar ljuset när det passerar igenom. Ljuset passerar genom metasytan många gånger, får en ny twist varje gång den gör det.

"Det som gör det speciellt är att för ljuset, materialet har egenskaper som är omöjliga att hitta i naturen, och så kallas ett "metamaterial"-ett troende material. Eftersom strukturerna var så små verkar de bara på ytan för att skapa en metayta. "

Resultatet är genereringen av nya former av kiralt ljus som inte observerats från lasrar förrän nu, och fullständig kontroll av ljusets kiralitet vid källan, stänga en öppen utmaning.

"Det finns en stark drivkraft för närvarande för att försöka kontrollera kiral materia med vriden ljus, och för att detta ska fungera behöver du ljus med en mycket hög vridning:superkiralt ljus, "säger Forbes. Olika branscher och forskningsområden kräver superkiralt ljus för att förbättra sina processer, inklusive maten, dator- och biomedicinsk industri.

"Vi kan använda denna typ av ljus för att köra växlar optiskt där fysiska mekaniska system inte skulle fungera, såsom i mikrofluidiska system för att driva flöde, "säger Forbes." Med detta exempel, målet är att utföra medicin på ett chip snarare än i ett stort labb, och kallas populärt Lab-on-a-Chip. För allt är litet, ljus används för kontrollen:för att flytta runt saker och sortera saker, som bra och dåliga celler. Twisted light används för att driva mikroväxlar för att få flödet att gå, och för att efterlikna centrifuger med ljus. "

Den chirala utmaningen

"Kiralitet" är en term som ofta används i kemi för att beskriva föreningar som finns som spegelbilder av varandra. Dessa föreningar har en "handsness" och kan ses som antingen vänster- eller högerhänta. Till exempel, citron- och apelsinsmak är samma kemiska förening, men skiljer sig bara i sin "handness".

Ljus är också kiralt men har två former:spin (polarisering) och OAM. Spin AM liknar planeter som snurrar runt sin egen axel, medan OAM liknar planeter som kretsar kring solen.

"Att kontrollera ljusets kiralitet vid källan är en utmanande uppgift och mycket aktuell på grund av de många applikationer som kräver det, från optisk kontroll av kiral materia, till metrologi, till kommunikation, "säger Forbes." Komplett kiral kontroll innebär kontroll över hela vinkelmomentet av ljus, polarisering och OAM. "

På grund av konstruktionsrestriktioner och implementeringshinder, bara en mycket liten delmängd av kirala tillstånd har hittills producerats. Geniala system har utformats för att styra heliciteten (kombinationen av snurr och linjär rörelse) för OAM -strålar men även de förblir begränsade till denna symmetriska uppsättning lägen. Det var inte möjligt att skriva ner det önskade kirala ljuset och låta en laser producera det, tills nu.

Metasurface laser

Lasern använde en metayta för att genomsyra ljus med ultrahög vinkelmoment, ger den en oöverträffad "twist" i sin fas samtidigt som den styr polarisationen. Genom godtycklig vinkelmomentkontroll, standarden spin-orbit symmetri kan vara bruten, för den första lasern för att producera full vinkelmomentstyrning av ljus vid källan.

Metasytan byggdes av noggrant utformade nanostrukturer för att ge önskad effekt, och är den mest extrema OAM -strukturen hittills tillverkad, med den högsta fasgradienten som rapporterats. Metanytans nanometerupplösning möjliggjorde en virvel av hög kvalitet med låg förlust och en hög skadetröskel, gör lasern möjlig.

Resultatet var en laser som kunde lasa på OAM -tillstånd på 10 och 100 samtidigt för den högsta rapporterade AM från en laser hittills. I det speciella fallet att metasytan är inställd på att producera symmetriska tillstånd, lasern producerar sedan alla tidigare OAM -tillstånd rapporterade från anpassade strukturerade ljuslasrar.

Går framåt

"Det vi tycker är särskilt spännande är att vårt tillvägagångssätt lämpar sig för många laserarkitekturer. Till exempel, vi kan öka förstärkningsvolymen och metasurstorleken för att producera en bulklaser för hög effekt, eller så kan vi krympa ner systemet på ett chip med hjälp av en monolitisk metasytedesign, säger Forbes.

"I båda fallen skulle lasermetoden styras av pumpens polarisering, kräver inga andra kavitetselement än själva metasytan. Vårt arbete representerar ett viktigt steg mot att slå samman forskningen inom bulklasrar med den på chip-enheter. "