威特沃特斯兰德大学的研究人员利用激光器的几何相，首次实现了一种改变激光光束的轨道角动量的方法。
《自然光子学》NaturePhoto
nics 杂志发表了由南非和意大利的研究人员发现的这一新型激光器的研究成果，这种激光器能够产生“扭曲”的激光束作为其输出。激光输出和新型激光形成的一组激光束叠加，称为矢量涡旋光束。首次利用到激光器中的几何相位，这项工作为研究光通信、激光加工、生物医药等应用中的新型激光器开辟了道路。
这个想法是由威特沃特斯兰德大学(WITS)的安得烈·福布斯教授设想出来的，并且他还带领着整个合作研究，同时所有关键的实验是由科学与工业研究理事会(CSIR)的达里尔·奈杜博士操作进行的。
团队成员斯蒂夫·鲁教授、安吉拉·杜德利博士和伊戈尔·利特博士对这项工作都有着很显著的贡献。自定义几何相位光学，没有这一理念，实验的实现将是不可能的，这是由意大利那不勒斯大学的研究团队提出的，其中包括洛伦佐·马鲁奇教授和布鲁诺·皮奇里洛教授。
“我们都熟悉的日常生活中的角动量：旋转的地球进行自旋角动量，绕地球进行的轨道角动量(OAM)。光也可以携带角动量：通过其极化(自旋)，并通过其模式和相位的轨道角动量，”福布斯说。
激光中控制自旋产生光已经有几十年时间了，但是在激光中生产的轨道角动量并非如此简单。光载轨道角动量是通过扭曲光的相位成螺旋形状进行创建，会形成一个螺旋状。
因为越靠近光束的中心，模式的扭曲变得越来越紧，直至光消失，这样的光束通常被称为环状光束或涡旋光束。问题是，通常激光器不能分辨出光是按顺时针方向旋转的光还是光是逆时针方向旋转的，所以激光只是在不受控制的方式下进行的组合。
此外，结合自旋和轨道分量由单一的激光产生的光束，是两个动量的混合，这在之前是没有被证实的。
“我们的新颖之处是意识到通过使用自定义几何相位偏振光学画出轨道角动量，激光就可以区分顺时针和逆时针光的区别了，”福布斯说。
控制是通过简单地旋转激光器中一个单一的光学元件实现的，没有任何其它需要的调整。这种光束已被用于光通信、光学的微粒捕获和计量，现在可以根据需求通过单个激光进行创建它们。
光的几何相位是一个非常抽象的概念，首先出现在量子理论中，但这里的研究人员已经使用它来创建特定类型的扭曲的光。自定义的光，称为q-plate，根据极化扭转特性调整轨道角动量的偏转，从一个映射到另一个。
例如，如果顺时针方向的偏振光没有扭曲相位通过光纤，输出是逆时针方向的偏振光并且相位是顺时针扭转。通过将这些元素加在激光上，极化扭转(旋转)控制在轨道角动量的扭转方向，那么输出也是可控制的。“我们喜欢称之为螺旋激光，因为光束的偏振和轨道角动量在光的产生中都起作用了，并以一种复杂的方式旋转或扭曲，”福布斯说。
重要的是，相同的激光能产生这些轨道角动量光束和各种极化光束的任意组合。该研究团队还发现，光输出是任意矢量涡旋光束产生的，被称为高阶庞加莱球光束。
例如，除了轨道角动量光束的特殊情况外，相同的激光也会产生的径向和角向偏振光，偏振(电场方向)会在空间上的变化。例如，径向偏振光总是指向远离圆心的方向，这在切削金属时是非常有用的。
这种光束通常被称为“向量”光束，因为偏振变化是横穿光束的。当偏振态模式在整个光束中保持不变，它被称为“标量”光束。在论文中，研究人员已经表明，这两种光束都可以通过相同的激光进行创建。
“必须明白，矢量涡旋激光束在金属和其他材料的加工中已被证明是非常有用的，例如，在汽车工业中。但直到现在我们不能在同一个激光器中产生这所有的光束，”奈杜说，正在进行的实验也是作为他自己博士研究的一部分，他也是该论文的主要作者。
激光的概念很可能吸引来自学术界和工业界的兴趣。有高阶庞加莱球相位的矢量和标量的涡旋光束有许多应用，如显微镜成像，激光加工，并可用于自由空间和光纤通信。通常，是要预先决定哪种光束是最想要的，然后再去设计一个激光器。现在，利用单一的激光器满足不同激光光束的需求变得可能。
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