1

導讀

利用激光器產生高純度的“扭曲光”以及產生相當高的角動量（AM），這在之前所有報道過激光器的文獻中還未曾有過。

近日,來自南非金山大學（University of the Witwatersrand）的 Andrew Forbes 等研究人員在 Nature Photonics 發表了這一突破性的研究成果。

在這篇論文中，研究人員展示了一種新的激光器，它可以產生任意理想的手性光狀態，并可以用來完全控制光的角動量(AM)、光的自旋角動量(SAM)和軌道角動量(OAM)。

02

背景介紹

圖1. 多彩斑斕的結構光場

對光進行結構定制，使其能夠高效的產生特定的光場分布以及其它有特殊用途的屬性，已被科研工作者們廣泛研究。如圖1所示，展示了多彩斑斕的結構光場圖樣。而對于結構光的應用，也已經在高寬帶光通信、高維量子通信、顯微成像和光操作等各個領域中得到了實際的推廣。

在多彩斑斕的結構光中，其中有一種非常重要的屬性就是光的手性。光具有手性特征，并且具有兩種形式：自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM）。

自旋SAM類似于行星圍繞自轉軸旋轉，例如：地球的自轉；而軌道OAM類似于行星圍繞太陽旋轉，例如：地球的公轉。手性光攜帶有自旋角動量（SAM）和軌道角動量（OAM），而軌道角動量的存在是由于具有螺旋形相位波前而特有的屬性。因此，這樣的光我們也稱之為軌道角動量光。而且通?？梢酝ㄟ^動態幾何相位轉化的方式，將自旋和軌道角動量進行有效耦合，產生具有更多手性控制的矢量軌道角動量光。但是，怎樣能夠有效的控制光的手性仍然是一個巨大的挑戰。

目前，雖然有一些方法可以實現光手性的控制。例如：通過幾何相位產生對稱的OAM光、利用集成芯片裝置、利用有源激發還有特種光纖激光器產生等。但是，這些前沿的方式都有一定的缺陷，其缺陷主要集中在兩個方面，分別是：利用幾何相位和拓撲光子時有基本對稱性的限制；其次是器件可實施的限制，例如，光學元件的物理尺寸和空間分辨率的限制。

雖然，這些光手性控制的方式都是極其重要的?？墒?，怎樣打破自旋和軌道耦合的基本對稱性，來進行任意的手性光的產生，是一個需要突破解決的問題。

其次，在量子力學研究中的玻色-愛因斯坦凝聚、結構光遙感測繪、進行精確的旋轉測量，以及進行手性介質的計量和提升更大的光子信息容量等方面的研究中，具有高角動量的超手性光在許多基礎研究和應用研究中都具有重要意義。

然而，任意角動量光的控制，需要有能力來產生一個任意耦合的自旋和軌道角動量光。這種狀態的光，可以通過用戶已經定義好的偏振態來耦合任意、不同的和非對稱的OAM來實現。

那么就可以有一個比對稱OAM態特殊的、大無窮倍的集合產生，從而允許獲得具有高角動量的超手性光?？墒?，現實的情況下卻并非實際想的這樣，如圖2所示，目前，有報道中產生的OAM激光只能有對稱的正負自旋量子數和正負軌道量子數的疊加，這樣產生的總的角動量數為零，并且最大的軌道量子數也只到了±10。

圖2. 軌道量子數為±10的OAM激光器

在本篇文章中，作者報到了一種超表面增強激光的方法，來克服自旋與軌道耦合這一限制。作者提到的這種方法是對早先提出的對稱自旋和軌道耦合設備的一個巨大反差（指作者在2016年發表的文章，如圖2所示），設備可輸出的高純度OAM光的量子數即拓撲荷數可以達到100，并且可以同時產生不受約束的OAM變量為90的非對稱的矢量渦旋。

這種超表面激光器可以方便地輸出可見光，產生新的光OAM態，以及產生以前報道過的所有激光的OAM模式。

這可能為我們的生活提供一種結構緊湊、功率可調的光源，最為關鍵的是利用腔內結構物質（超表面）可以產生任意手性結構光，這也是對超表面進行實用化的一大突破性進展。

03

創新研究

3.1

超表面J-板

圖3. 超表面J-板示意圖和相位調制曲線

在這項工作中，作者們主要是設計了一個結構緊湊的超表面手性光激光器。在這個自旋軌道耦合設備中，最關鍵的一個器件就是由電介質二氧化鈦納米磚構成的超表面，如圖3a所示。超表面上每一個納米磚的高度為600納米，其長度和寬帶能夠改變，從而它們可以在可見光532納米波段進行相位調制，調制曲線如圖3b所示。

表1. 制作的三塊超表面J-板

在本文中，作者們制作了三塊超表面J-板，如表1所示。JP1用來實現原先作者們提出的方案（2016年發表的文章），即實現線性對稱的自旋和軌道耦合轉換，但是轉換的軌道量子數只能是正負軌道量子數的疊加，并且總角動量為零。而JP2和JP3超表面J-板是本文中的重點，它們可以實現任意的兩個正交偏振態的轉換，并且可以生成任意的OAM模式。

圖4. 超表面J-板JP3的相位分布和JP2、JP3的SEM圖以及局部放大

如圖4所示，c為JP3的相位分布圖像，JP3最大的特點是其軌道角動量數達到了100，制作這么高的相位梯度超表面也是第一報道。由于超多的納米結構在相位分布上，所以JP3看起來是彩色的，由于散射共振的作用。e和f是超表面JP2和JP3的掃描電鏡SEM圖，這些納米結構具有不同的形狀和方向，從而能夠實現所需的相位梯度變化，g圖顯示了超表面上納米結構的典型特殊構造。

3.2

腔內轉換實現

圖5. 超表面軌道角動量光激光器示意圖

如圖5.所示，是產生高純度渦旋光激光器的示意圖。一個常見的Nd：YAG半導體固體激光器腔，利用非線性KTP晶體實現倍頻轉換，輸出532納米的綠光。超表面J-板被放置在綠色諧振腔內，用來提供一個幾何相位，就這樣一個產生可見光的超表面輔助激光器完成了。其最主要的是利用了超表面J-板，能夠實現將SAM和OAM的耦合。

圖6. 超表面激光器腔內光的變化動態圖

在激光腔內，光多次穿過超表面，如圖6.動態所示。開始是一個水平偏振無OAM的光，然后被超表面轉化為一個與J-板快軸角有關的正弦和余弦疊加的組合模式。在這個過程中大多數一般的OAM狀態都能夠保留下來，這種狀態在以前的任何腔內激光器中都未曾報道過。

與以前的設計相比，目前的設計減少了光學器件的數量和腔的復雜性。并且在作者的設計中，模式可在晶體內重疊，確保了空間相干的一致性，即使在輸出端沒有任何空間重疊。所以，在這種正弦和余弦疊加的復合模式下，在每次往返的過程中對激光的角動量實現控制是有可能的。

3.3

實現任意角動量的控制

圖7 先前結果的再現—實現對稱的OAM態

圖7展示的是超表面JP1所實現的功能，它生成的是一種對稱模式。通過先前報道的幾何相位，來產生線偏振高階彭加萊態（HOPS）共軛的OAM態。其輸出的模式強度是一個環形的分布，在超表面的旋轉變化中這種狀態依然可以保留，通過模態分析也可以證明OAM態的存在，在補充材料中作者們做了詳細介紹。

圖8. 隨著與J-板水平方向夾角的變換OAM譜的變化和混合矢量模式

為了展示可實現任意的角動量（AM）的控制，作者們利用JP2來實現了對稱OAM態1和5的輸出。如圖8c所示，輸出模式在1和5之間按照正弦和余弦的變化對稱輸出。在兩端都可以達到100%的模態輸出，在中間段會出現疊加態，包括出現相等的OAM分數態。

其次是出現了一個更奇異的矢量混合態，如圖8d所示。它的出現不像人們原先想的，會產生一個疊加態到6的奇異混合態，而是一個為1的渦旋中心周圍有四個奇異點。這個現象和作者們做的理論預測是相符的，如圖8d的插圖所示。這也說明了，這里的J-板超表面激光器不但能夠產生原先已有的模式，而且還能產生更加奇異的光態。

圖9. JP3產生廣義的OAM態

如圖9.所示，分析產生了更為一般的角動量的控制。在利用超表面JP3形成的自旋軌道耦合的激光器中，輸出態是從10到了100，輸出的拓撲荷數的變化量達到了90。與前面對稱模式的區別在于，這里產生的模態是一個嵌套疊加的模式。伴隨著旋轉角度的變化，在廣義的彭加萊球面上，可以明顯的看到這種變化。

這種狀態可以理解為當l1遠遠小于l2時，每一種狀態都可以共存，但是在超表面之后每一個空間模式都會在不同的區域出現，而在晶體中重疊是為了更好的產生相干性。

3.4

模式純度分析

圖10. 拓撲荷數為10的OAM激光腔內、外模式純度

在圖10.中，作者分析了拓撲荷數為10的OAM激光的模式純度，藍色是腔內模式，紅色對應腔外模式。我們可以看到，在激光腔內OAM的模式純度能夠達到92%，使用腔外超表面轉化的模式純度是72%。

顯而易見的是，在腔內的轉化中主要集中在對應徑向階數P等于零的理想態，而在腔外轉換中很多會向高階徑向態轉化過去。圖10中下方的數據曲線，很好的說明了腔內產生純的超高OAM態的情況，這種情況可以用徑向模式p在腔內會出現一種阻尼振蕩來解釋。圖10中的b和c分別顯示的是，腔內和腔外產生拓撲荷數為10的模態的直接圖樣。

圖11. 拓撲荷數為100的OAM激光腔外、內模式純度

在圖11.中，展示的是超高OAM數的模式純度。圖11.d表示外部模式，圖11.e表示內部模式。從直觀的看，我們也可以發現內部模式明顯優于外部模式。在數據測量上，對于純度為71%的OAM模式，腔外轉化中只有13%的徑向為零，角向為100的純度。而對于腔內轉化來說，純度高達90%。圖11.f中的數據條顯示，紅色棒狀是腔外模式譜，藍色柱狀是腔內模式譜，與上面的數據說明是一致的。圖11.g表示的在相同的束腰條件下，紅色棒狀顯示的腔外模式轉化的純度，藍色顯示本文中提到的諧振腔轉化的純度。

總的來說，作者們在此提出的OAM激光器可以產生更高、更純的軌道角動量光。并且，作者也提到在通過合理的設計諧振腔的參數以及通過濾波等的方法，OAM激光的模式還可以進一步提高。

04

結論與展望

作者在本文中展示了一種可產生超高超純OAM光的超表面激光器，為超表面的實用化又邁出了積極的一步。

其次，作者在本文中提出的方法具有廣泛性。不論是大功率的體激光器還是芯片集成的微納激光器，都可以通過控制腔內偏振旋轉、超表面的結構和增益介質來實現。他們的工作為大型OAM激光器和微芯片OAM激光器的研究開發，提供了很好的思路。

總而言之，作者們在本文中第一次描述了一種可產生超高超純OAM態的超表面激光器。不論是之前報道過的OAM態，還是之前沒有報道過的激光手性模式，在超表面激光器中都可以實現。這種新型可控角動量的激光器，在性能、功率等方面，都為優質軌道角動量光源的產生提供了可行的路線。

文章信息：

該成果以“ High-purity orbital angular momentum states from a visible metasurface laser ”為題發表在 Nature Photonics 期刊。

論文地址：https://doi.org/10.1038/s41566-020-0623-z