导读：研究人会研究出一个新的超表面激光可以发射出高纯、非对称的超手性光 ，同时具有前所未有的在源头上进行控制角动量的能力。

一个新的超表面激光可以发射出高纯、非对称的超手性光 ，同时具有前所未有的在源头上进行控制角动量的能力。

结构光是指对激光在任一自由度通过定制或者整形的办法进行调制。最近发展的结构光支持的应用有（包括但不限于）光学通讯、提高图像的成像分辨率 、光捕获和镊合等。 手征光 是结构光领域中最重要的一种，可以携带自旋角动量（± 每光子, 取决于用右手或左手的习惯）和轨迹角动量（OAM, 每光之子, 此处的 为整数）。

图2 纪念激光诞生60周年

这一领域的一个公开的挑战就是在源头上任意控制光的手性——自旋和轨道。因此，该技术的推动发展受到基本的对称性限制和光学元件空间分辨率的限制。早期的研究基本上是通过总的角动量为零的状态来实现，并且后者在产生高的OAM（轨迹角动量）值的时候限制了其纯度和效率。具有高角动量得超手性光在许多基础领域和应用研究中具有非常重要得地位。光的任意角动量在源头上进行控制依然难以捉摸。

图3 OAM（轨迹角动量） (m, n) = (1, 5) 在线性极化基的条件下运行时的典型的J板设计的示意图

可以相信，该项研究是第一个展示激光可以在内腔超表面制造出任一理想的角动量状态。这一研究表明新的高纯OAM（轨迹角动量）状态具有的量子数可以达到100，并且具有非对称矢量涡旋光束，同时激光在独立的OAM（轨迹角动量）状态具有的量子数为不同的90的量值。激光可以方便的在可见光波段进行输出，提供一个紧凑的功率可扩展的光源，其利用内腔 结构介质来创造任意手性态的结构光。这一研究结果为超表面激光的革新和应用开创了新纪元。

图4 超表面激光在OAM数为100时制造超手性扭曲光 的具有艺术家形式的印象

图5 具有内腔非线性晶体（KTP）、两极化和超表面的 激光谐振腔的示意图，通过和国内外泵浦进行激发，

超表面激光

激光，见示意图图5，是一个倍频腔，可以通过内腔非线性晶体（KTP）实现将ND：YAG(λ = 1064 nm) 激光的红外基频 转换为二次谐波绿激光 (λ = 532 nm)，每次激光通过J-板的时候，一个特殊的扭曲 就会增加到光光束波前。由于光和超表面器件的互惠，光就会在每个激光内部的循环旅行中返回到它的起始状态。并且其系统内部TAM的保护就会得到维持。从腔输出的模式可以仅仅通过旋转J板的角度θ来进行简化。这同改变极化的状态几乎时等价的。这一改变可以被超表面非常清晰的“观察”到。姐u共，一个理想的模式结合就诞生了，专业i状态在以前时不曾采用激光俩实现过。

图6 超扭曲光的应用： (a)有选择的光捕获和镊合；(b)纳米制造用光学扳手 ；(c)光通信与量子协议

超表面激光非常吸引人的地方在于多个方面的原因。例如，它可以用来进行不同的设计，这意味着它可以调制成更加适应其应用场景下的物理参数。由于超表面器件具有更高的破坏阈值，其增益内腔 可以用来制造块体的高功率激光，甚至是压缩成单片/微芯片设计。在这两个场合，其共振模式可以通过泵浦极化来控制，这样就可以不需要额外的内腔元件 ，仅仅适用该超表面即可实现。

展望于未来的发展机会

超表面激光是结构光激光发展历史上的一个里程碑，这是因为它打破了自旋轨道耦合对称性，并且可以促进新的高纯OAM状态的激光的诞生。激光的设计，以及前面描述到的超表面，可以促使实现前所未有的对光的整个角动量的（手征（空间的螺旋特性））从源头上进行控制。

这一技术可以导致许多激光结构 的诞生，例如，这一类型的光可以用来制造光学传动齿轮 ，这一应用场景是物理机械系统本身不会工作的场合，如微流体机械系统导致的驱动（见图6 a）。在当前，人们对控制具有扭曲光 的手性物质 非常感兴趣，对于这一工作，扭曲光是非常需要的。非对称的输出模式可以用来光学捕获，进行分离细胞或粒子，这是因为光束具有散射力 。这一类型的光还可以用来作为纳米制造工程中的光学扳手（见图6b）。此外，信息还可以储存在光学通讯的状态中和用来发挥量子协议的效用。

关于论文作者

Yao-Wei Huang是哈佛大学的博士后。 Hend Sroor 是上海科技大学的博后后研究人员，在这之前是在威特沃特斯兰德大学从事研究工作。

Darryl Naidoo是在 CSIR的国家激光中心担任首席研究员。

References

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8.Wits University