世界第1台“超手性光”激光器诞生！
封面图来源：School of Physics, University of the WiTWatersrand
01 导读
利用激光器产生高纯度的“扭曲光”以及产生相当高的角动量（AM），这在之前所有报道过激光器的文献中还未曾有过。
近日,来自南非金山大学（University of the Witwatersrand）的 Andrew Forbes 等研究人员在 Nature Photonics 发表了这一突破性的研究成果。
在这篇论文中，研究人员展示了一种新的激光器，它可以产生任意理想的手性光状态，并可以用来完全控制光的角动量(AM)、光的自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。
02 背景介绍
对光进行结构定制，使其能够高效的产生特定的光场分布以及其它有特殊用途的属性，已被科研工作者们广泛研究。如图1所示，展示了多彩斑斓的结构光场图样。而对于结构光的应用，也已经在高宽带光通信、高维量子通信、显微成像和光操作等各个领域中得到了实际的推广。
在多彩斑斓的结构光中，其中有一种非常重要的属性就是光的手性。光具有手性特征，并且具有两种形式：自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）。
自旋SAM类似于行星围绕自转轴旋转，例如：地球的自转；而轨道OAM类似于行星围绕太阳旋转，例如：地球的公转。手性光携带有自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM），而轨道角动量的存在是由于具有螺旋形相位波前而特有的属性。因此，这样的光我们也称之为轨道角动量光。而且通常可以通过动态几何相位转化的方式，将自旋和轨道角动量进行有效耦合，产生具有更多手性控制的矢量轨道角动量光。但是，怎样能够有效的控制光的手性仍然是一个巨大的挑战。
目前，虽然有一些方法可以实现光手性的控制。例如：通过几何相位产生对称的OAM光、利用集成芯片装置、利用有源激发还有特种光纤激光器产生等。但是，这些前沿的方式都有一定的缺陷，其缺陷主要集中在两个方面，分别是：利用几何相位和拓扑光子时有基本对称性的限制；其次是器件可实施的限制，例如，光学元件的物理尺寸和空间分辨率的限制。
虽然，这些光手性控制的方式都是极其重要的。可是，怎样打破自旋和轨道耦合的基本对称性，来进行任意的手性光的产生，是一个需要突破解决的问题。
其次，在量子力学研究中的玻色-爱因斯坦凝聚、结构光遥感测绘、进行精确的旋转测量，以及进行手性介质的计量和提升更大的光子信息容量等方面的研究中，具有高角动量的超手性光在许多基础研究和应用研究中都具有重要意义。
然而，任意角动量光的控制，需要有能力来产生一个任意耦合的自旋和轨道角动量光。这种状态的光，可以通过用户已经定义好的偏振态来耦合任意、不同的和非对称的OAM来实现。
那么就可以有一个比对称OAM态特殊的、大无穷倍的集合产生，从而允许获得具有高角动量的超手性光。可是，现实的情况下却并非实际想的这样，如图2所示，目前，有报道中产生的OAM激光只能有对称的正负自旋量子数和正负轨道量子数的叠加，这样产生的总的角动量数为零，并且最大的轨道量子数也只到了±10。
在本篇文章中，作者报到了一种超表面增强激光的方法，来克服自旋与轨道耦合这一限制。作者提到的这种方法是对早先提出的对称自旋和轨道耦合设备的一个巨大反差（指作者在2016年发表的文章，如图2所示），设备可输出的高纯度OAM光的量子数即拓扑荷数可以达到100，并且可以同时产生不受约束的OAM变量为90的非对称的矢量涡旋。
这种超表面激光器可以方便地输出可见光，产生新的光OAM态，以及产生以前报道过的所有激光的OAM模式。
这可能为我们的生活提供一种结构紧凑、功率可调的光源，最为关键的是利用腔内结构物质（超表面）可以产生任意手性结构光，这也是对超表面进行实用化的一大突破性进展。
03 创新研究
在这项工作中，作者们主要是设计了一个结构紧凑的超表面手性光激光器。在这个自旋轨道耦合设备中，最关键的一个器件就是由电介质二氧化钛纳米砖构成的超表面，如图3a所示。超表面上每一个纳米砖的高度为600纳米，其长度和宽带能够改变，从而它们可以在可见光532纳米波段进行相位调制，调制曲线如图3b所示。
在本文中，作者们制作了三块超表面J-板，如表1所示。JP1用来实现原先作者们提出的方案（2016年发表的文章），即实现线性对称的自旋和轨道耦合转换，但是转换的轨道量子数只能是正负轨道量子数的叠加，并且总角动量为零。而JP2和JP3超表面J-板是本文中的重点，它们可以实现任意的两个正交偏振态的转换，并且可以生成任意的OAM模式。
如图4所示，c为JP3的相位分布图像，JP3最大的特点是其轨道角动量数达到了100，制作这么高的相位梯度超表面也是第一报道。由于超多的纳米结构在相位分布上，所以JP3看起来是彩色的，由于散射共振的作用。e和f是超表面JP2和JP3的扫描电镜SEM图，这些纳米结构具有不同的形状和方向，从而能够实现所需的相位梯度变化，g图显示了超表面上纳米结构的典型特殊构造。
如图5.所示，是产生高纯度涡旋光激光器的示意图。一个常见的Nd：YAG半导体固体激光器腔，利用非线性KTP晶体实现倍频转换，输出532纳米的绿光。超表面J-板被放置在绿色谐振腔内，用来提供一个几何相位，就这样一个产生可见光的超表面辅助激光器完成了。其最主要的是利用了超表面J-板，能够实现将SAM和OAM的耦合。
在激光腔内，光多次穿过超表面，如图6.动态所示。开始是一个水平偏振无OAM的光，然后被超表面转化为一个与J-板快轴角有关的正弦和余弦叠加的组合模式。在这个过程中大多数一般的OAM状态都能够保留下来，这种状态在以前的任何腔内激光器中都未曾报道过。
与以前的设计相比，目前的设计减少了光学器件的数量和腔的复杂性。并且在作者的设计中，模式可在晶体内重叠，确保了空间相干的一致性，即使在输出端没有任何空间重叠。所以，在这种正弦和余弦叠加的复合模式下，在每次往返的过程中对激光的角动量实现控制是有可能的。
图7展示的是超表面JP1所实现的功能，它生成的是一种对称模式。通过先前报道的几何相位，来产生线偏振高阶彭加莱态（HOPS）共轭的OAM态。其输出的模式强度是一个环形的分布，在超表面的旋转变化中这种状态依然可以保留，通过模态分析也可以证明OAM态的存在，在补充材料中作者们做了详细介绍。
为了展示可实现任意的角动量（AM）的控制，作者们利用JP2来实现了对称OAM态1和5的输出。如图8c所示，输出模式在1和5之间按照正弦和余弦的变化对称输出。在两端都可以达到100%的模态输出，在中间段会出现叠加态，包括出现相等的OAM分数态。
其次是出现了一个更奇异的矢量混合态，如图8d所示。它的出现不像人们原先想的，会产生一个叠加态到6的奇异混合态，而是一个为1的涡旋中心周围有四个奇异点。这个现象和作者们做的理论预测是相符的，如图8d的插图所示。这也说明了，这里的J-板超表面激光器不但能够产生原先已有的模式，而且还能产生更加奇异的光态。
如图9.所示，分析产生了更为一般的角动量的控制。在利用超表面JP3形成的自旋轨道耦合的激光器中，输出态是从10到了100，输出的拓扑荷数的变化量达到了90。与前面对称模式的区别在于，这里产生的模态是一个嵌套叠加的模式。伴随着旋转角度的变化，在广义的彭加莱球面上，可以明显的看到这种变化。
这种状态可以理解为当l1远远小于l2时，每一种状态都可以共存，但是在超表面之后每一个空间模式都会在不同的区域出现，而在晶体中重叠是为了更好的产生相干性。
在图10.中，作者分析了拓扑荷数为10的OAM激光的模式纯度，蓝色是腔内模式，红色对应腔外模式。我们可以看到，在激光腔内OAM的模式纯度能够达到92%，使用腔外超表面转化的模式纯度是72%。
显而易见的是，在腔内的转化中主要集中在对应径向阶数P等于零的理想态，而在腔外转换中很多会向高阶径向态转化过去。图10中下方的数据曲线，很好的说明了腔内产生纯的超高OAM态的情况，这种情况可以用径向模式p在腔内会出现一种阻尼振荡来解释。图10中的b和c分别显示的是，腔内和腔外产生拓扑荷数为10的模态的直接图样。
在图11.中，展示的是超高OAM数的模式纯度。图11.d表示外部模式，图11.e表示内部模式。从直观的看，我们也可以发现内部模式明显优于外部模式。在数据测量上，对于纯度为71%的OAM模式，腔外转化中只有13%的径向为零，角向为100的纯度。而对于腔内转化来说，纯度高达90%。图11.f中的数据条显示，红色棒状是腔外模式谱，蓝色柱状是腔内模式谱，与上面的数据说明是一致的。图11.g表示的在相同的束腰条件下，红色棒状显示的腔外模式转化的纯度，蓝色显示本文中提到的谐振腔转化的纯度。
总的来说，作者们在此提出的OAM激光器可以产生更高、更纯的轨道角动量光。并且，作者也提到在通过合理的设计谐振腔的参数以及通过滤波等的方法，OAM激光的模式还可以进一步提高。
04 结论与展望
作者在本文中展示了一种可产生超高超纯OAM光的超表面激光器，为超表面的实用化又迈出了积极的一步。
其次，作者在本文中提出的方法具有广泛性。不论是大功率的体激光器还是芯片集成的微纳激光器，都可以通过控制腔内偏振旋转、超表面的结构和增益介质来实现。他们的工作为大型OAM激光器和微芯片OAM激光器的研究开发，提供了很好的思路。
总而言之，作者们在本文中第一次描述了一种可产生超高超纯OAM态的超表面激光器。不论是之前报道过的OAM态，还是之前没有报道过的激光手性模式，在超表面激光器中都可以实现。这种新型可控角动量的激光器，在性能、功率等方面，都为优质轨道角动量光源的产生提供了可行的路线。
论文地址：
https://doi.org/10.1038/s41566-020-0623-z
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