威特沃特斯蘭德大學(xué)的研究人員利用激光器的幾何相，首次實(shí)現(xiàn)了一種改變激光光束的軌道角動(dòng)量的方法。
《自然光子學(xué)》NaturePhotonics 雜志發(fā)表了由南非和意大利的研究人員發(fā)現(xiàn)的這一新型激光器的研究成果，這種激光器能夠產(chǎn)生“扭曲”的激光束作為其輸出。激光輸出和新型激光形成的一組激光束疊加，稱為矢量渦旋光束。首次利用到激光器中的幾何相位，這項(xiàng)工作為研究光通信、激光加工、生物醫(yī)藥等應(yīng)用中的新型激光器開辟了道路。
這個(gè)想法是由威特沃特斯蘭德大學(xué)(WITS)的安得烈·福布斯教授設(shè)想出來的，并且他還帶領(lǐng)著整個(gè)合作研究，同時(shí)所有關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)是由科學(xué)與工業(yè)研究理事會(huì)(CSIR)的達(dá)里爾·奈杜博士操作進(jìn)行的。
團(tuán)隊(duì)成員斯蒂夫·魯教授、安吉拉·杜德利博士和伊戈?duì)?middot;利特博士對這項(xiàng)工作都有著很顯著的貢獻(xiàn)。自定義幾何相位光學(xué)，沒有這一理念，實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)將是不可能的，這是由意大利那不勒斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出的，其中包括洛倫佐·馬魯奇教授和布魯諾·皮奇里洛教授。
“我們都熟悉的日常生活中的角動(dòng)量：旋轉(zhuǎn)的地球進(jìn)行自旋角動(dòng)量，繞地球進(jìn)行的軌道角動(dòng)量(OAM)。光也可以攜帶角動(dòng)量：通過其極化(自旋)，并通過其模式和相位的軌道角動(dòng)量，”福布斯說。
激光中控制自旋產(chǎn)生光已經(jīng)有幾十年時(shí)間了，但是在激光中生產(chǎn)的軌道角動(dòng)量并非如此簡單。光載軌道角動(dòng)量是通過扭曲光的相位成螺旋形狀進(jìn)行創(chuàng)建，會(huì)形成一個(gè)螺旋狀。
因?yàn)樵娇拷馐闹行?，模式的扭曲變得越來越緊，直至光消失，這樣的光束通常被稱為環(huán)狀光束或渦旋光束。問題是，通常激光器不能分辨出光是按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的光還是光是逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)的，所以激光只是在不受控制的方式下進(jìn)行的組合。
此外，結(jié)合自旋和軌道分量由單一的激光產(chǎn)生的光束，是兩個(gè)動(dòng)量的混合，這在之前是沒有被證實(shí)的。
“我們的新穎之處是意識到通過使用自定義幾何相位偏振光學(xué)畫出軌道角動(dòng)量，激光就可以區(qū)分順時(shí)針和逆時(shí)針光的區(qū)別了，”福布斯說。
控制是通過簡單地旋轉(zhuǎn)激光器中一個(gè)單一的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的，沒有任何其它需要的調(diào)整。這種光束已被用于光通信、光學(xué)的微粒捕獲和計(jì)量，現(xiàn)在可以根據(jù)需求通過單個(gè)激光進(jìn)行創(chuàng)建它們。
光的幾何相位是一個(gè)非常抽象的概念，首先出現(xiàn)在量子理論中，但這里的研究人員已經(jīng)使用它來創(chuàng)建特定類型的扭曲的光。自定義的光，稱為q-plate，根據(jù)極化扭轉(zhuǎn)特性調(diào)整軌道角動(dòng)量的偏轉(zhuǎn)，從一個(gè)映射到另一個(gè)。
例如，如果順時(shí)針方向的偏振光沒有扭曲相位通過光纖，輸出是逆時(shí)針方向的偏振光并且相位是順時(shí)針扭轉(zhuǎn)。通過將這些元素加在激光上，極化扭轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn))控制在軌道角動(dòng)量的扭轉(zhuǎn)方向，那么輸出也是可控制的。“我們喜歡稱之為螺旋激光，因?yàn)楣馐钠窈蛙壍澜莿?dòng)量在光的產(chǎn)生中都起作用了，并以一種復(fù)雜的方式旋轉(zhuǎn)或扭曲，”福布斯說。
重要的是，相同的激光能產(chǎn)生這些軌道角動(dòng)量光束和各種極化光束的任意組合。該研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，光輸出是任意矢量渦旋光束產(chǎn)生的，被稱為高階龐加萊球光束。
例如，除了軌道角動(dòng)量光束的特殊情況外，相同的激光也會(huì)產(chǎn)生的徑向和角向偏振光，偏振(電場方向)會(huì)在空間上的變化。例如，徑向偏振光總是指向遠(yuǎn)離圓心的方向，這在切削金屬時(shí)是非常有用的。
這種光束通常被稱為“向量”光束，因?yàn)槠褡兓菣M穿光束的。當(dāng)偏振態(tài)模式在整個(gè)光束中保持不變，它被稱為“標(biāo)量”光束。在論文中，研究人員已經(jīng)表明，這兩種光束都可以通過相同的激光進(jìn)行創(chuàng)建。
“必須明白，矢量渦旋激光束在金屬和其他材料的加工中已被證明是非常有用的，例如，在汽車工業(yè)中。但直到現(xiàn)在我們不能在同一個(gè)激光器中產(chǎn)生這所有的光束，”奈杜說，正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)也是作為他自己博士研究的一部分，他也是該論文的主要作者。
激光的概念很可能吸引來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的興趣。有高階龐加萊球相位的矢量和標(biāo)量的渦旋光束有許多應(yīng)用，如顯微鏡成像，激光加工，并可用于自由空間和光纖通信。通常，是要預(yù)先決定哪種光束是最想要的，然后再去設(shè)計(jì)一個(gè)激光器。現(xiàn)在，利用單一的激光器滿足不同激光光束的需求變得可能。
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