Идея была придумана профессором. Эндрю Форбс из Университета Витватерсранда (Витс), который также руководил совместной работой, в то время как все ключевые эксперименты проводились доктором Дэррилом Найду из Совета по научным и промышленным исследованиям (CSIR). Члены команды проф.
Стеф Ру (Wits and CSIR), д-р Анджела Дадли (Wits and CSIR) и д-р Игорь Литвин (CSIR) внесли значительный вклад в работу. Специальная геометрическая фазовая оптика, без которой реализация идеи была бы невозможна, была произведена итальянской командой из Неаполитанского университета, проф.
Лоренцо Марруччи и проф. Бруно Пиччирилло.
"Мы все знакомы с угловым моментом в нашей повседневной жизни: вращающаяся Земля несет спиновой угловой момент, а вращающаяся по орбите Земля несет орбитальный угловой момент (OAM). Свет также может переносить угловой момент: благодаря своей поляризации (спину), а также через его структуру и фазу OAM », – говорит Форбс.
Получение света с управляемым вращением в лазере известно уже несколько десятилетий, но создать пучки OAM внутри лазера не так-то просто. Светоносный OAM создается путем скручивания фазы света в спиральную форму, образуя спираль. Поскольку скручивание узора становится все туже и туже по мере того, как вы приближаетесь к центру луча, свет исчезает, и такие лучи часто называют кольцевыми лучами или вихревыми лучами.
Проблема в том, что обычно лазеры не могут отличить свет, закрученный по часовой стрелке, от света, закрученного против часовой стрелки, поэтому лазер просто неконтролируемо дает комбинацию обоих. Более того, комбинирование спиновых и орбитальных компонентов для получения общих лучей от одного лазера, которые представляют собой смесь двух импульсов, ранее не демонстрировалось.
«Наша новинка заключалась в том, чтобы понять, что, используя настраиваемую геометрическую фазовую оптику для сопоставления поляризации с OAM, лазер может быть разработан так, чтобы различать свет по часовой стрелке и против часовой стрелки», – говорит Форбс. Управление достигается простым вращением одного оптического элемента внутри лазера без необходимости повторной юстировки. Такие лучи использовались в оптической связи, оптическом улавливании микрочастиц и метрологии – и теперь один лазер может создавать их по запросу.
Геометрическая фаза света – очень абстрактное понятие, впервые появившееся в квантовой теории, но здесь исследователи использовали его для создания определенных типов искаженного света.
Специальная оптика, называемая q-пластиной, изменяет направленность поворота OAM в соответствии с направленностью поворота поляризации, сопоставляя одно с другим. Например, если через оптику проходит свет с поляризацией по часовой стрелке без скрученной фазы, на выходе получается свет с поляризацией против часовой стрелки с скрученной фазой по часовой стрелке. Помещая этот элемент внутри лазера, скручивание поляризации (спин) управляло направленностью скручивания в OAM, поэтому выходным сигналом можно было управлять в любом из двух режимов. «Нам нравится называть это спиральным лазером, потому что как поляризация, так и OAM луча порождают свет, который вращается или скручивается сложным образом», – говорит Форбс.
Важно отметить, что один и тот же лазер может создавать любую комбинацию этих лучей OAM и различных поляризаций света. Команда смогла показать, что результатом стало создание произвольных векторных вихревых пучков, известных как пучки сфер Пуанкаре более высокого порядка. Например, в дополнение к особым случаям лучей OAM, тот же лазер также производит радиально и азимутально поляризованный свет, где поляризация (направление электрического поля) изменяется в пространстве.
Например, у радиально поляризованного света поле всегда направлено от центра круга, что очень полезно для резки и сверления металлов. Такие лучи часто называют «векторными», потому что поляризация изменяется поперек луча.
Когда диаграмма поляризации в луче остается постоянной, она называется «скалярным» лучом. В опубликованной работе исследователи показали, что любой из них может быть создан с помощью одного и того же лазера.
«Вы должны понимать, что векторные вихревые лазерные лучи оказались чрезвычайно полезными при лазерной обработке металлов и других материалов, например, в автомобильной промышленности.
Но до сих пор нам не удавалось произвести их все в одном лазере », – говорит Найду, который проводил эксперименты в рамках своей докторской диссертации и является ведущим автором статьи.
Концепция лазера, вероятно, вызовет интерес как в академическом, так и в промышленном сообществе. Векторные и скалярные вихревые пучки, которые существуют на сфере Пуанкаре более высокого порядка, имеют множество приложений, таких как микроскопия, визуализация, лазерная обработка и связь в свободном пространстве и в волокнах.
Часто нужно заранее решить, какой луч наиболее желателен, а затем разработать для него лазер. Теперь можно получить такие лучи по запросу от одного лазера.