超表面激光产生超手性扭曲光的艺术效果，OAM高达100。信贷:智慧大学
激光利用光学技术开辟了一个新的应用领域对物理对象的控制。
研究人员展示了世界上第一个产生“超手性光”的超表面激光器:具有超高角动量的光。从这种激光器发出的光可以作为一种“光学扳手”，或用于编码信息在光通信。
“因为光可以携带角动量，这意味着它可以转移到物质中。光携带的角动量越多，它能传递的就越多。所以你可以把光想象成一个‘光学扳手’，”领导这项研究的南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学物理学院教授安德鲁·福布斯说。“现在不用物理扳手来拧东西(比如拧螺母)，你可以用灯光照射螺母，它会自己拧紧。”
新的激光器产生了一种新的高纯度的“扭曲光”，这是以前从激光器中观察不到的，包括从激光器中报道的最高角动量。同时，研究人员开发了一个纳米结构的我Tasurface具有有史以来最大的相位梯度，并允许在紧凑的设计中进行高功率操作。这意味着世界上第一个可以根据需要产生奇异状态的扭曲结构光的激光器。
这是Hend Sroor，制造激光的博士生。信贷:智慧大学
《自然·光子学》杂志在网上发表了这项研究，该研究是由Wits和南非科学与工业研究委员会(CSIR)、哈佛大学(美国)、新加坡国立大学(新加坡)、布鲁塞尔自由大学(比利时)和CNST -意大利科学研究院(Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli(意大利)合作完成的。
在他们题为:来自可见超表面激光器的高纯度轨道角动量状态的论文中，研究人员演示了一种新的激光器，可以产生任何想要的手性光状态，完全控制光的角动量(AM)分量，光的自旋(偏振)和轨道角动量(OAM)。
这种激光设计之所以成为可能，是因为由哈佛大学研究小组设计的新型纳米尺寸(比人类头发宽度小1000倍)超表面在激光内部提供了完全控制。超表面是由许多微小的纳米材料棒组成的，当光线穿过时，这些纳米材料棒会改变光线。光通过超表面很多次，每次都得到一个新的扭转。
它的特别之处在于，对于光线来说，这种材料具有自然界中无法找到的特性，因此被称为“超材料”——一种虚构的材料。因为这些结构非常小，它们只出现在表面，形成超表面。”
其结果是产生了迄今为止从激光中观察不到的手性光的新形式，并在光源处完全控制光的手性，关闭了一个开放的挑战。
福布斯说:“目前有一股强大的动力试图用扭曲的光来控制手性物质，为了实现这一目标，你需要具有非常高扭曲的光:超手性光。”包括食品、计算机和生物医学行业在内的各个行业和研究领域都需要超手性光来改进它们的工艺。
福布斯说:“在物理机械系统无法工作的地方，我们可以使用这种类型的光来光学驱动齿轮，比如在微流体系统中驱动流体。”“在这个例子中，我们的目标是在芯片上进行医疗，而不是在大型实验室中，通常被称为芯片上的实验室。因为所有的东西都很小，所以光被用来进行控制:移动物体并对物体进行分类，比如好细胞和坏细胞。扭曲的光被用来驱动微齿轮使流体流动，并模仿光离心机。”
手性的挑战
“手性”是化学中经常使用的一个术语，用来描述相互互为镜像的化合物。这些化合物具有“利手性”，可以认为是左手性或右手性。例如，柠檬味和橙子味是同一种化合物，但不同的只是它们的“用手性”。
光也是手性的，但有两种形式:自旋(偏振)和OAM。Spin AM类似于行星绕自己的轴旋转，而OAM类似于行星绕太阳旋转。
Forbes说:“在光源处控制光的手性是一项具有挑战性的任务，而且由于许多应用需要它，从手性物质的光学控制，到计量，到通信，都需要它。”“完全手性控制意味着控制光的全部角动量、偏振和OAM。”
由于设计上的限制和实现上的障碍，迄今为止只产生了非常小的手性态子集。人们设计了巧妙的方案来控制OAM光束的螺旋度(自旋和线性运动的组合)，但它们也仍然局限于这种对称模式集。直到现在，人们还不可能写下某些理想的手性光态，并让激光产生它。
我tasurface激光
激光利用超表面给光注入超高的角动量，使其在相位上产生前所未有的“扭转”，同时控制偏振。通过任意的角动量控制，可以打破标准的自旋轨道对称性，使第一个激光器在光源处产生完全的角动量控制。
该超表面由精心制作的纳米结构构建而成，以产生所需的效果，是迄今为止制造的最极端的OAM结构，具有迄今报道的最高的相梯度。纳米级的超表面分辨率使得低损耗高损伤阈值的高质量涡流成为可能，使激光成为可能。
结果是一种激光，可以同时对OAM状态10和100产生迄今为止报道的最高AM。在超表面被设置为产生对称态的特殊情况下，激光产生自定义结构光激光器报告的所有先前的OAM态。
展望未来
“我们发现特别令人兴奋的是，我们的方法适用于许多激光架构。例如，我们可以增加增益体积和超表面尺寸来生产高功率的批量激光器，或者我们可以使用单片超表面设计将系统缩小到芯片上，”Forbes说。
“在这两种情况下，激光模式都将由泵浦的极化控制，除了超表面本身外，不需要腔内元素。我们的工作代表了将块状激光器研究与片上器件研究相结合的重要一步。”
