Onderzoekers hebben 's werelds eerste metasurface-laser gedemonstreerd die "superchiraal licht" produceert:licht met een ultrahoog impulsmoment. Het licht van deze laser kan worden gebruikt als een soort "optische sleutel" voor of voor het coderen van informatie in optische communicatie.

"Omdat licht impulsmoment kan dragen, het betekent dat dit kan worden overgedragen op de materie. Hoe meer impulsmoment licht draagt, hoe meer het kan overdragen. Je kunt licht dus zien als een 'optische moersleutel', " Professor Andrew Forbes van de School of Physics aan de University of the Witwatersrand (Wits) in Johannesburg, Zuid-Afrika, die het onderzoek leidde. "In plaats van een fysieke sleutel te gebruiken om dingen te draaien (zoals het vastdraaien van moeren), je kunt nu licht op de moer laten schijnen en hij zal zichzelf vastdraaien."

De nieuwe laser produceert een nieuw "gedraaid licht" met een hoge zuiverheid dat nog niet eerder door lasers is waargenomen. inclusief het hoogste impulsmoment gerapporteerd door een laser. Tegelijkertijd ontwikkelden de onderzoekers een nanogestructureerd meta-oppervlak dat de grootste fasegradiënt ooit heeft geproduceerd en een krachtige werking mogelijk maakt in een compact ontwerp. De implicatie is een eerste laser ter wereld voor het produceren van exotische staten van gedraaid gestructureerd licht, op aanvraag.

Natuurfotonica heeft vandaag online het onderzoek gepubliceerd dat is gedaan in samenwerking tussen Wits en de Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) in Zuid-Afrika, Harvard-universiteit (VS), de Nationale Universiteit van Singapore (Singapore), Vrije Universiteit Brussel (België) en CNST—Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli (Italië).

In hun artikel getiteld:Zeer zuivere orbitale impulsmomenten van een zichtbare metasurface-laser, de onderzoekers demonstreren een nieuwe laser om elke gewenste chirale lichttoestand te produceren, met volledige controle over beide componenten van het impulsmoment (AM) van licht, de spin (polarisatie) en het baanimpulsmoment (OAM) van licht.

Het laserontwerp wordt mogelijk gemaakt door de volledige controle die wordt geboden door een nieuw meta-oppervlak ter grootte van een nanometer (1000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar) - ontworpen door de Harvard-groep - in de laser. Het meta-oppervlak bestaat uit vele kleine staafjes nanomateriaal, die het licht verandert als het er doorheen gaat. Het licht gaat vele malen door het meta-oppervlak, krijgt elke keer een nieuwe draai.

"Wat het bijzonder maakt, is dat aan het licht, het materiaal heeft eigenschappen die in de natuur niet te vinden zijn, en zo wordt een 'metamateriaal' genoemd - een verzonnen materiaal. Omdat de structuren zo klein waren, verschijnen ze alleen aan de oppervlakte om een ​​meta-oppervlak te maken."

Het resultaat is het genereren van nieuwe vormen van chiraal licht dat tot nu toe niet door lasers is waargenomen, en volledige controle over de chiraliteit van het licht bij de bron, een openstaande uitdaging afsluiten.

"Er is op dit moment een sterke drang om te proberen chirale materie te beheersen met gedraaid licht, en om dit te laten werken heb je licht nodig met een zeer hoge twist:superchiraal licht, ", zegt Forbes. Verschillende industrieën en onderzoeksgebieden hebben superchiraal licht nodig om hun processen te verbeteren, inclusief het eten, computer- en biomedische industrie.

"We kunnen dit soort licht gebruiken om tandwielen optisch aan te drijven waar fysieke mechanische systemen niet zouden werken. zoals in microfluïdische systemen om de stroming te stimuleren, ", zegt Forbes. "Als we dit voorbeeld gebruiken, het doel is om medicijnen uit te voeren op een chip in plaats van in een groot laboratorium, en wordt in de volksmond Lab-on-a-Chip genoemd. Omdat alles klein is, licht wordt gebruikt voor de besturing:om dingen te verplaatsen en te sorteren, zoals goede en slechte cellen. Gedraaid licht wordt gebruikt om micro-tandwielen aan te drijven om de stroom op gang te brengen, en om centrifuges na te bootsen met licht."

De chirale uitdaging

"Chiraliteit" is een term die in de chemie vaak wordt gebruikt om verbindingen te beschrijven die als spiegelbeelden van elkaar worden aangetroffen. Deze verbindingen hebben een "handigheid" en kunnen worden gezien als links- of rechtshandig. Bijvoorbeeld, citroen- en sinaasappelaroma's zijn dezelfde chemische verbinding, maar verschillen alleen in hun "handigheid".

Licht is ook chiraal maar heeft twee vormen:de spin (polarisatie) en de OAM. Spin AM is vergelijkbaar met planeten die om hun eigen as draaien, terwijl OAM vergelijkbaar is met planeten die om de zon draaien.

"Het beheersen van de chiraliteit van licht bij de bron is een uitdagende taak en zeer actueel vanwege de vele toepassingen die dit vereisen, van optische controle van chirale materie, naar metrologie, naar communicatie, "zegt Forbes. "Volledige chirale controle impliceert controle over het volledige impulsmoment van licht, polarisatie en OAM."

Vanwege ontwerpbeperkingen en implementatiebelemmeringen, tot op heden is slechts een zeer kleine subset van chirale toestanden geproduceerd. Er zijn ingenieuze schema's bedacht om de heliciteit (de combinatie van spin en lineaire beweging) van OAM-stralen te regelen, maar ook zij blijven beperkt tot deze symmetrische reeks modi. Het was niet mogelijk om een ​​bepaalde gewenste chirale staat van licht op te schrijven en het door een laser te laten produceren, tot nu.

Metaoppervlak laser

De laser gebruikte een meta-oppervlak om licht te doordringen met een ultrahoog impulsmoment, waardoor het een ongekende "draai" in zijn fase krijgt en tegelijkertijd de polarisatie beheerst. Door willekeurige impulsmomentcontrole, de standaard spin-baansymmetrie kan worden verbroken, voor de eerste laser die volledige controle van het impulsmoment van het licht bij de bron produceert.

Het meta-oppervlak is gemaakt van zorgvuldig vervaardigde nanostructuren om het gewenste effect te produceren, en is de meest extreme OAM-structuur die tot nu toe is gefabriceerd, met de hoogste fasegradiënt tot nu toe gerapporteerd. De nanometerresolutie van het meta-oppervlak maakte een hoogwaardige vortex mogelijk met een laag verlies en een hoge schadedrempel, laser mogelijk maken.

Het resultaat was een laser die gelijktijdig kon laseren op OAM-toestanden van 10 en 100 voor de hoogste gerapporteerde AM van een laser tot nu toe. In het speciale geval dat het meta-oppervlak is ingesteld om symmetrische toestanden te produceren, de laser produceert vervolgens alle eerdere OAM-toestanden die zijn gerapporteerd door aangepaste gestructureerde lichtlasers.

Vooruit gaan

"Wat we vooral opwindend vinden, is dat onze aanpak zich leent voor veel laserarchitecturen. we zouden het versterkingsvolume en de grootte van het meta-oppervlak kunnen vergroten om een ​​bulklaser te produceren voor high-power, of we kunnen het systeem verkleinen tot een chip met behulp van een monolithisch metasurface-ontwerp, ', zegt Forbes.

"In beide gevallen zou de lasermodus worden geregeld door de polarisatie van de pomp, waarvoor geen andere elementen in de holte nodig zijn dan het meta-oppervlak zelf. Ons werk is een belangrijke stap in de richting van het samenvoegen van het onderzoek naar bulklasers met dat van on-chip-apparaten."