En ultra-frihedsgrad struktureret vektorstråle

Optik Express nylig offentliggjort forskning, der viser en laser, der er i stand til at producere en ny type vektorstråle. Denne såkaldte vektor-stråle-bølgestråle med 5 frihedsgrader bryder paradigmet for den konventionelle vektorhvirvelstråle, som åbner vejen for at manipulere nye kvante-til-klassiske fænomener til højkapacitetskommunikation.

Typisk, lys, der udsendes fra standardlasere, har en kontrollerbar grad af frihed, der kan tildeles gennem polarisering eller stråleform. Ved passende at manipulere en laser med introduktion af specialiserede optiske komponenter, et output med 2 frihedsgrader, såsom vektorhvirvelstråler med kontrollerbar polarisation og orbital vinkelmoment (OAM). Udtrykket "vektor" beskriver en struktureret ændring i polarisationen over strålen, og "hvirvel" beskriver vridningen af ​​fasen i strålen (OAM), meget som en tornado. At overskride 2 frihedsgrader fra en laser var ikke muligt. Ved at udnytte strålebølgedualitet i en frekvensdegenereret laser, en vektorstråle med 5 frihedsgrader kan nu vælges.

Konceptet med strålebølgedualitet inde i lasere kan beskrives som et modebølgemønster, der er forbundet med en periodisk strålebane. En standardlaser har et modemønster, der svinger mellem midten af ​​to spejle på en lige vej, der er vinkelret på spejlene. Imidlertid, i tilfælde af en periodisk bane, tilstandsmønsteret svinger også mellem to spejle, men følger en ikke-vinkelret bane, ligner et zig-zag mønster. Tidligere undersøgelser har kun rapporteret om en enkelt bane med en vis tværgående størrelse; imidlertid, dette arbejde demonstrerede valget af to baner med forskellige tværgående størrelser og oscillerende faser, forbundet med astigmatisk transformation. Dette eksotiske output udgør 4 frihedsgrader, nemlig periodisk antal (antal stråler), tværgående indeks (antal udgangsstråler), oscillerende fase, og astigmatisk grad. Dette resulterer i et vektorstruktureret output og igen, den femte frihedsgrad. Med dette, outputtet omdannes til en snoet bane ved at konvertere det tværgående indeks til et, der besidder orbital vinkelmomentum med en ekstern astigmatisk moduskonverter.

Vigtigt, dette strålebølgestrukturerede output siges at være ikke-adskilleligt, beslægtet med den kvantemekaniske beskrivelse af sammenfiltrede tilstande, i orienteringsvinklen mellem de tværgående indekser. "Vi mener, det rummer stor nyhed, fordi skabelsen af ​​sådanne ultra-frihedsgrader, vektorielt lys er yderst gavnligt til at beskrive og yderligere udforske fundamentale fysiske fænomener såsom optisk spin Hall-effekter til at udvide nye applikationer i optisk pincet og kommunikation og til at manipulere nye kvantelignende klassiske tilstande, " siger Dr. Shen.

Den eksperimentelle demonstration kommer fra et ellers "tomt" laserhulrum, fraværet af specialiserede optiske komponenter. Dette udgør en yderligere fordel ved, at laseren består af en simpel arkitektur, udsender alligevel en vektorstråle med 5 frihedsgrader, langt ud over en trinvis fremgang. "Antallet af stråler i det snoede output kan let manipuleres ved omhyggelig kontrol af laserparametrene, såsom afstanden mellem spejlene og pumpens position, som giver en enkel, kompakt og elegant ved kilden løsning, " siger Dr. Darryl Naidoo fra CSIR.

"Sydafrika og Kina er allerede partnere under BRICS, med planer om et virtuelt fotonikcenter, der skal etableres under dette program. Dette arbejde har fremhævet, hvad der er muligt, når man samler hold fra de bedste institutter i Kina (Tsinghua U.) og Sydafrika (CSIR og U. Witwatersrand). Vi håber, at sådanne samarbejdsinitiativer kan fortsætte i fremtiden, " siger prof. Andrew Forbes fra WITS University.

Laserkonceptet vil sandsynligvis tiltrække interesse fra både det akademiske og industrielle miljø. Dette output lover bekvemt at udvide applikationer i vektorstrålerummet, og at have sådanne stråler på efterspørgsel fra en laser vil helt sikkert åbne op for nye anvendelsesområder.