Forskare har utvecklat en ny typ av organisk virvellaser, som är en laser som avger en spiralformad ljusstråle. I framtiden, miniatyruppsättningar av dessa vortexlasrar, var och en med en något annorlunda spiralform, kan användas i applikationer som 3D-TV-skärmar, mikroskopi, och som informationsbärare för kommunikation med synligt ljus.

Forskarna, ledd av Ifor D.W. Samuel vid University of St. Andrews och Thomas F. Krauss vid University of York, både i Storbritannien, har publicerat en artikel om de organiska virvellasrarna i ett färskt nummer av ACS Nano .

"Lasermatriser har demonstrerats tidigare, men inte med sådan kontroll över strålformen, " berättade Krauss Phys.org . "Vårt tillvägagångssätt tillåter oss att göra virvelstrålar med kontrollerad topologisk laddning. Vi kan göra luftiga strålar eller Bessel-strålar. På samma sätt, metasytor som genererar sådana skräddarsydda balkar har visats tidigare, men de har varit passiva element, inte aktiva lasrar."

Tidigare, virvel laserstrålar har genererats genom att ta en laser och använda separata optiska komponenter för att forma strålen, resulterar i stora strålar. De nya vortexlasrarna som visas här har ett nanostrukturerat förstärkningsmedium som genererar virvelstrålen direkt. Detta innebär att den kan skalas ner till miniatyrbalkar, som sedan kan ordnas i en array. Den miniatyriserade versionen förväntas vara mycket mer användbar för praktiska tillämpningar.

För att generera spiralformade ljusstrålar, forskarna designade ett optiskt gitter bestående av en arkimedeisk spiral. När ljus passerar genom gallret, den framträder som en spiralformad stråle. Genom att styra dimensionerna på spiralgallret, det är möjligt att styra ljusstrålens egenskaper.

Det huvudsakliga sättet att göra detta är genom att kontrollera antalet "armar" som den arkimedeiska spiralen har. Antalet armar är lika med ljusstrålens topologiska laddning, vilket är antalet vridningar ljusstrålen gör i en våglängd. Så ju större antalet armar, ju hårdare ljusstrålens helix. Här, forskarna visade arkimedeiska spiralgitter med mellan noll (ingen vridning) och tre armar.

Denna nya metod för att generera virvellasrar har fördelar jämfört med tidigare metoder genom att strålarna kan genereras i ett enda steg och av ett enda optiskt element (gittret). Med dessa fördelar, forskarna förväntar sig att resultaten kommer att bana väg för att implementera vortexlasrar i en mängd olika tillämpningar.

"Mitt huvudsakliga intresse är organiska halvledare, som enkelt kan mönstras för att göra enheter som denna, sa Samuel, vars grupp gav det organiska halvledarförstärkningsmaterialet och utförde mätningarna. "Ett långsiktigt mål är att göra sådana lasrar elektriskt, snarare än optiskt, driven. Ett närmare mål är att använda sådana lasrar för att känna av explosiv ånga."

Krauss, vars grupp designade nanostrukturerna som användes i studien, är särskilt intresserad av displayer och mikroskopiapplikationer.

"I skärmar, du kan använda de olika vortexordningarna för att multiplexera information – till exempel, att projicera flera bilder samtidigt, " sa han. "Vortexstrålar är av intresse i mikroskopi, så man kan föreställa sig en rad sådana strålar för massivt parallell mikroskopi."

© 2018 Phys.org