Los investigadores han demostrado el primer láser de metasuperficie del mundo que produce "luz súper quiral": luz con momento angular ultraalto. La luz de este láser se puede usar como un tipo de "llave óptica" para o para codificar información en ópticacomunicaciones
"Debido a que la luz puede transportar el momento angular, significa que esto se puede transferir a la materia. Cuanto más luz lleva el momento angular, más se puede transferir. Así que puedes pensar en la luz como una 'llave óptica'", profesor Andrew Forbesde la Facultad de Física de la Universidad de Witwatersrand Wits en Johannesburgo, Sudáfrica, que dirigió la investigación. "En lugar de usar una llave física para torcer cosas como atornillar tuercas, ahora puedes iluminar la tuerca yse apretará solo "
El nuevo láser produce una nueva "luz torcida" de alta pureza que no se observó desde los láseres antes, incluido el momento angular más alto reportado por un láser. Simultáneamente, los investigadores desarrollaron una metasuperficie nanoestructurada que tiene el gradiente de fase más grande jamás producido y permiteoperación de alta potencia en un diseño compacto. La implicación es un láser de primer nivel mundial para producir estados exóticos de luz estructurada retorcida, bajo demanda
Fotónica de la naturaleza hoy publicó en línea la investigación que se realizó como una colaboración entre Wits y el Consejo de Investigación Científica e Industrial CSIR en Sudáfrica, la Universidad de Harvard EE. UU., La Universidad Nacional de Singapur Singapur, Vrije Universiteit Brussel Bélgica y CNST - Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli Italia.
En su artículo titulado: Estados de momento angular orbital de alta pureza de un láser de metasuperficie visible, los investigadores demuestran un nuevo láser para producir cualquier estado de luz quiral deseado, con control total sobre ambos componentes de la luz de momento angular AM, elspin polarización y momento angular orbital OAM de la luz.
El diseño del láser es posible gracias al control completo que ofrece la nueva meta-superficie del tamaño de un nanómetro 1000 veces más pequeño que el ancho de un cabello humano, diseñada por el grupo Harvard, dentro del láser.muchas pequeñas barras de nanomateriales, que alteran la luz a medida que la atraviesan. La luz atraviesa la meta-superficie muchas veces y recibe un nuevo giro cada vez que lo hace.
"Lo que lo hace especial es que, para la luz, el material tiene propiedades imposibles de encontrar en la Naturaleza, y por eso se le llama" metamaterial ", un material de fantasía. Debido a que las estructuras eran tan pequeñas que solo aparecen en elsuperficie para hacer una metasuperficie "
El resultado es la generación de nuevas formas de luz quiral no observadas desde los láseres hasta ahora, y el control completo de la quiralidad de la luz en la fuente, cerrando un desafío abierto.
"Hay un fuerte impulso en este momento para tratar de controlar la materia quiral con luz retorcida, y para que esto funcione se necesita luz con un giro muy alto: luz superquiral", dice Forbes. Varias industrias y campos de investigación requierenluz súper quiral para mejorar sus procesos, incluidas las industrias alimentaria, informática y biomédica.
"Podemos usar este tipo de luz para conducir engranajes ópticamente donde los sistemas mecánicos físicos no funcionarían, como en los sistemas microfluídicos para impulsar el flujo", dice Forbes. "Con este ejemplo, el objetivo es realizar la medicina en unchip en lugar de en un laboratorio grande, y popularmente se llama Lab-on-a-Chip. Debido a que todo es pequeño, la luz se usa para el control: para mover cosas y clasificar cosas, como las células buenas y malas.solía conducir microengranajes para hacer funcionar el flujo e imitar las centrífugas con luz "
El desafío quiral
"Chiralidad" es un término usado a menudo en química para describir compuestos que se encuentran como imágenes especulares entre sí. Estos compuestos tienen una "mano" y pueden considerarse zurdos o diestros. Por ejemplo, limóny los sabores a naranja son el mismo compuesto químico, pero solo difieren en su "carácter".
La luz también es quiral pero tiene dos formas: el giro polarización y el OAM. El giro AM es similar a los planetas que giran alrededor de su propio eje, mientras que OAM es similar a los planetas que orbitan alrededor del Sol.
"Controlar la quiralidad de la luz en la fuente es una tarea desafiante y altamente tópica debido a las muchas aplicaciones que lo requieren, desde el control óptico de la materia quiral, hasta la metrología y las comunicaciones", dice Forbes. "El control quiral completo implica el control de laímpetu angular completo de luz, polarización y OAM. "
Debido a las restricciones de diseño y los impedimentos de implementación, hasta la fecha solo se ha producido un subconjunto muy pequeño de estados quirales. Se han ideado esquemas ingeniosos para controlar la helicidad la combinación de giro y movimiento lineal de los haces OAM, pero también permanecen restringidosa este conjunto simétrico de modos. Hasta ahora no era posible anotar algún estado de luz quiral deseado y hacer que un láser lo produjera.
láser de Metasurface
El láser usó una meta-superficie para imbuir la luz con un momento angular ultra alto, dándole un "giro" sin precedentes en su fase y al mismo tiempo controlando la polarización. Mediante el control arbitrario del momento angular, la simetría estándar de la órbita giratoria podría romperse, porEl primer láser que produce un control total del momento angular de la luz en la fuente.
La metasuperficie se construyó a partir de nanoestructuras cuidadosamente elaboradas para producir el efecto deseado, y es la estructura OAM más extrema fabricada hasta ahora, con el gradiente de fase más alto hasta ahora reportado. La resolución nanométrica de la metauperficie hizo posible un vórtice de alta calidad con bajapérdida y un alto umbral de daño, haciendo posible el láser.
El resultado fue un láser que podía durar en estados OAM de 10 y 100 simultáneamente para la AM más alta reportada desde un láser hasta la fecha. En el caso especial de que la metasuperficie esté configurada para producir estados simétricos, el láser produce todos los OAM anterioresestados informados desde láser de luz estructurados personalizados.
avanzando
"Lo que encontramos particularmente emocionante es que nuestro enfoque se presta a muchas arquitecturas láser. Por ejemplo, podríamos aumentar el volumen de ganancia y el tamaño de la meta-superficie para producir un láser a granel de alta potencia, o podríamos reducir el sistema a unchip usando un diseño monolítico de metasuperficie ", dice Forbes.
"En ambos casos, el modo de láser sería controlado por la polarización de la bomba, sin requerir elementos dentro de la cavidad que no sean la propia meta-superficie. Nuestro trabajo representa un paso importante para fusionar la investigación en láser a granel con la de los dispositivos en chip."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Witwatersrand . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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