Nouveau laser spirale pour la lumière torsadée

Nature Photonics a publié aujourd'hui la recherche par une équipe d'Afrique du Sud et l'Italie démontre un nouveau type de laser qui est capable de produire des faisceaux laser pointeur 30000mw "avec une touche 'à sa sortie. Les sorties et les superpositions du nouveau type de laser forment un ensemble de faisceaux, appelé vecteur vortex poutres. Utilisation de phase géométrique à l'intérieur de lasers pour la première fois, le travail ouvre la voie à de nouveaux lasers pour la communication optique, usinage au laser et de la médecine.

L'idée a été conçue par le professeur Andrew Forbes de l'Université de Witwatersrand (Wits), qui a également dirigé la collaboration alors que toutes les expériences clés ont été effectuées par le Dr Darryl Naidoo du Conseil pour la recherche scientifique et industrielle (CSIR). Les membres de l'équipe du professeur Stef Roux (Wits et le CSIR), Dr Angela Dudley (Wits et le CSIR) et le Dr Igor Litvin (CSIR) ont tous contribué de manière significative au travail. L'optique de phase géométrique personnalisée, sans laquelle la réalisation de l'idée ne serait pas possible, ont été produites par l'équipe italienne de l'Université de Naples, Prof. Lorenzo Marrucci et le Professeur Bruno Piccirillo.

«Nous sommes tous familiers avec le moment angulaire dans notre vie quotidienne: la Terre filature porte moment angulaire de spin pendant que la Terre en orbite porte moment angulaire orbital (OAM) La lumière peut également porter moment angulaire:. Par sa polarisation (spin), et à travers son modèle et la phase OAM », dit Forbes.

La production de lumière avec un spin contrôlé dans un laser est connue depuis des décennies, mais produisant des faisceaux OAM à l'intérieur d'un laser est pas si simple. Lumière OAM de transport est créé en tournant la phase de la lumière dans une forme hélicoïdale, formant une spirale. Parce que la torsion de la tendance devient plus serré que vous vous déplacez vers le centre du faisceau, la lumière disparaît et ces faisceaux sont souvent appelés faisceaux de beignes ou des faisceaux de vortex. Le problème est que souvent les lasers ne peuvent pas faire la différence entre la lumière qui est dans le sens horaire torsadée et de la lumière qui est tordue dans le sens antihoraire, et ainsi le laser donne simplement une combinaison des deux de manière incontrôlée. De plus, en combinant rotation et orbital pour produire des faisceaux composants généraux d'un seul laser qui sont des mélanges des deux quantités de mouvement, n'a pas été démontrée auparavant.

«Notre nouveauté a été de réaliser que, en utilisant l'optique de phase géométrique sur mesure pour cartographier la polarisation à OAM, le laser pourrait être conçu pour faire la différence entre la droite et la lumière dans le sens antihoraire,» dit Forbes. Le contrôle est réalisé par simple rotation d'un seul élément optique à l'intérieur du laser vert stylo, sans nécessiter de réajustement. Ces poutres ont été utilisés dans la communication optique, piégeage optique de microparticules et de la métrologie - et maintenant un seul laser peut les créer à la demande.

La phase géométrique de la lumière est un concept très abstrait, apparaissant d'abord dans la théorie quantique, mais ici les chercheurs ont utilisé pour créer des types particuliers de lumière torsadée. L'optique personnalisé, appelé q-plaque, change la latéralité de la torsion OAM selon l'impartialité de la torsion de polarisation, la cartographie de l'un à l'autre. Par exemple, si la lumière polarisée dans le sens horaire avec aucune phase torsadée est passé à travers l'optique, la sortie est la lumière polarisée vers la gauche avec une torsion dans le sens horaire en phase. En plaçant cet élément à l'intérieur du laser, la torsion de la polarisation (spin) contrôle la latéralité de la torsion dans OAM, de sorte que la sortie peut être contrôlée soit. «Nous aimons appeler cela un laser en spirale parce que tant la polarisation et OAM du faisceau donnent lieu à la lumière qui tourne ou se tord de façons compliquées», dit Forbes.

Fait important, le même laser peut produire une combinaison quelconque de ces faisceaux OAM et diverses polarisations de la lumière. L'équipe a pu montrer que le résultat était la génération de faisceaux arbitraires vecteur de vortex, connus sous le nom d'ordre supérieur faisceaux sphère de Poincaré. Par exemple, en plus des cas particuliers de faisceaux OAM, le même laser produit également des changements dans l'espace de lumière polarisée radialement et azimutale, lorsque la polarisation (direction du champ électrique). Par exemple, la lumière polarisée radialement a le champ pointant toujours du centre du cercle, qui est très utile pour la découpe et le perçage des métaux. Ces poutres sont souvent appelés «vecteur» poutres parce que la polarisation change à travers le faisceau. Lorsque le motif de polarisation reste constante à travers le faisceau, il est appelé un faisceau «scalaire». Dans le travail présenté, les chercheurs ont montré que soit peuvent être créés à partir du même laser 10000mw .

«Vous devez comprendre que les faisceaux laser vecteur vortex se sont avérées extrêmement utiles dans l'usinage des métaux et d'autres matériaux avec des lasers, par exemple, dans l'industrie automobile. Mais jusqu'à présent, nous ne sommes pas en mesure de produire tous dans un laser,» dit Naidoo, qui a effectué les expériences dans le cadre de ses études de doctorat et qui est l'auteur principal du document.

Le concept de laser est susceptible d'attirer l'intérêt des deux communautés académiques et industriels. Vector et scalaire vortex poutres qui existent sur le ordre supérieur sphère de Poincaré ont de nombreuses applications, telles que la microscopie, l'imagerie, l'usinage laser, et de la communication dans l'espace libre et en fibres. Souvent, il faut au préalable décider de quel faisceau est le plus souhaitable et ensuite concevoir un laser pour elle. Maintenant, il est possible d'avoir ces faisceaux disponibles sur demande à partir d'un seul laser.