เลเซอร์ metasurface ใหม่สามารถผลิตแสงในสถานะโมเมนตัมเชิงมุมที่ต้องการ รวมถึงแสงที่มีไครัลสูงหรือแสง “บิดเบี้ยว” ที่สามารถจัดการกับวัตถุทางกายภาพได้ นักพัฒนาที่มหาวิทยาลัย Witwatersrand (Wits) ในแอฟริกาใต้และมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดในสหรัฐอเมริกากล่าว แหล่งกำเนิดแสงโมเมนตัมมุมสูงที่ปรับค่าได้นี้ยังสามารถใช้ในการเข้ารหัสข้อมูลในการสื่อสารด้วยแสงได้อีกด้วย
โมเมนตัมเชิงมุมของแสงเป็นผลรวมขององค์ประกอบ
อิสระสองส่วน: โมเมนตัมเชิงมุมของการหมุน (SAM) และโมเมนตัมเชิงมุมของวงโคจร (OAM) SAM เกี่ยวข้องกับแสงโพลาไรซ์แบบวงกลม และเกิดขึ้นเมื่อเวกเตอร์สนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กของแสงหมุนไปตามความยาวคลื่น เนื่องจาก SAM สามารถมีค่าได้เพียงสองค่า – โพลาไรซ์แบบวงกลมด้านขวาหรือด้านซ้าย – การใช้งานจึงค่อนข้างจำกัด ในทางกลับกัน OAM เป็นผลมาจากการหมุนเฟสของคลื่นแสง และสามารถรับค่าใดก็ได้ ความแปรปรวนนี้ทำให้ OAM มีประโยชน์สำหรับการใช้งานที่หลากหลายขึ้น ซึ่งรวมถึง “ประแจออปติคัล” – อุปกรณ์ที่ดักจับและหมุนอนุภาคขนาดเล็กโดยใช้แสง และถ่ายโอนข้อมูลผ่านเส้นใยแก้วนำแสงโดยไม่มีสัญญาณรบกวน (multiplexing) เพื่อระบุตัวอย่างสองตัวอย่าง
ความท้าทายในการผลิตรัฐ OAMลักษณะที่ยืดหยุ่นของ OAM หมายความว่าโดยหลักการแล้วลำแสงสามารถบรรทุกโมเมนตัมเชิงมุมได้ไม่จำกัดจำนวน อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ การโทรไปยังสถานะ OAM ที่ต้องการนั้นยังห่างไกลจากความง่ายแอนดรูว์ ฟอร์บส์ ผู้นำร่วมด้านการศึกษา จากWits ‘School of Physics อธิบาย. แม้ว่าจะมีเทคนิคต่างๆ มากมาย แต่ประสิทธิภาพ – สัดส่วนของแสงที่แปลงเป็นสถานะที่ต้องการ – นั้นมีจำกัด อีกทางหนึ่ง
อุปกรณ์ที่เรียกว่า q-plate สามารถเปลี่ยน SAM เป็น OAM
ได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด 100% แต่ใช้งานได้เฉพาะกับแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมด้านขวาหรือด้านซ้ายเท่านั้น เนื่องจากลำแสงจริงมักมีโพลาไรเซชันขั้นกลาง (วงรี) นี่เป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญ เนื่องจากการเพิ่ม OAM จำนวนคงที่ไปยังสถานะการหมุนหนึ่งครั้ง และจำนวนที่เท่ากันและตรงกันข้ามกับอีกสถานะหนึ่งจะสร้างโมเมนตัมเชิงมุมสุทธิเป็นศูนย์
รูปแบบใหม่ของแสง chiral และ AM . สูงสุดอุปกรณ์ใหม่เอาชนะอุปสรรคเหล่านี้ด้วยการผสมผสาน metasurface ซึ่งเป็นโครงสร้างนาโนที่ประดิษฐ์ขึ้นซึ่งโต้ตอบกับแสงในลักษณะที่ผิดปกติเข้าไปในโพรงเลเซอร์ การออกแบบ metasurface นี้สร้างขึ้นจากงานก่อนหน้าของกลุ่ม Harvard และประกอบด้วยเสาอสัณฐานรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าที่มี TiO 2สูงเพียง 600 นาโนเมตร เสานาโนเหล่านี้แยกจากกันด้วยระยะทางที่สั้นกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ถูกมอดูเลต และพวกมันทำหน้าที่เหมือนเสาอากาศออปติคัล – ทำให้เกิดความล่าช้าของเฟสที่แตกต่างกันในเชิงพื้นที่ในรังสีของแสงที่ลอดผ่านพวกมันและหล่อหลอมลำแสงตามโปรไฟล์ที่ต้องการ “ในการทดลองของเรา เราส่งแสงผ่าน metasurface หลายครั้ง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหม่ในแต่ละครั้งที่เราทำ ในขณะที่ควบคุมการโพลาไรซ์ของแสงในเวลาเดียวกัน” Forbes อธิบาย
ผลที่ได้คืออุปกรณ์ที่สร้างลำแสงเอาต์พุตสองลำด้วยค่า
OAM ที่แตกต่างกันมากถึง 90 หน่วย ส่งผลให้มีโมเมนตัมเชิงมุมทั้งหมดที่ไม่เท่ากับศูนย์ขนาดใหญ่ ตามข้อมูลของ Forbes นี่เป็นเลเซอร์ตัวแรกที่สามารถผลิตแสงไครัลได้สูงเช่นนี้ในสถานะโมเมนตัมเชิงมุมที่ต้องการ “หนึ่งในตัวอย่างของเราคือลำแสงเลเซอร์ที่มี OAM 10 และ 100 ในลำแสงเดียวกัน (ที่มีโพลาไรซ์แนวนอนและแนวตั้งตามลำดับ)” เขาบอกกับPhysics World “สถิติก่อนหน้านี้มีเพียง +10 และ -10 (และดังนั้นจึงเป็นศูนย์รวม AM)”
Federico Capasso ผู้นำ ร่วมอีกคนของการศึกษาและศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ประยุกต์ที่Harvardกล่าวว่าการใช้ metasurfaces เป็น “ปัจจัยกำหนด” ในการบรรลุโมเมนตัมเชิงมุมเชิงแสงสูงเป็นประวัติการณ์Lเท่ากับ 100 “เทคโนโลยีทางเลือกเช่น q-plates และ spatial light modulators (SLM) ไม่ได้ใกล้เคียงกับค่าL เหล่านี้ ด้วยซ้ำ” เขากล่าว “ยิ่งไปกว่านั้น ข้อจำกัดในการออกแบบและข้อจำกัดในการประดิษฐ์ของเทคโนโลยีเหล่านั้นไม่สามารถให้การควบคุม wavefront โดยพลการโดย metasurfaces ซึ่งคานเวคเตอร์ vortex แบบไม่สมมาตรที่อธิบายไว้ในบทความนี้เป็นตัวอย่างที่โดดเด่น
ลดการสูญเสียแสงได้อย่างมาก
ตามคำกล่าวของYao-Wei Huang ของ Harvard ผู้สร้าง metasurface ที่ใช้ในเลเซอร์ การออกแบบใหม่ “แสดงให้เห็นถึงการมีเพศสัมพันธ์ที่มีประสิทธิภาพสูงระหว่างการหมุนตามอำเภอใจ (สถานะเชิงเส้นเป็นวงกลมหรือขั้ววงรีใด ๆ ) และวงโคจร (สมมาตรหรือไม่สมมาตร helicity ) ของแสงในโครงสร้างระนาบขนาดกะทัดรัด” Forbes เสริมว่าอุปกรณ์สามารถจับคู่ OAM ที่ไม่สมมาตรกับสถานะโพลาไรซ์เชิงเส้น แทนที่จะจำกัดอยู่ที่ OAM ที่สมมาตรและสถานะโพลาไรซ์แบบวงกลม เช่นเดียวกับแผ่น q “สิ่งนี้อาจดูเหมือนเป็นรายละเอียดทางเทคนิคเล็กน้อย แต่หมายความว่าเราสามารถลดจำนวนองค์ประกอบภายในเลเซอร์ลงได้ครึ่งหนึ่ง ดังนั้นจึงลดการสูญเสียแสงได้อย่างมาก และทำให้เราไปถึงค่า OAM ที่ 100 (ล่วงหน้า x10 จากสถานะก่อนหน้า -ศิลปะจากเลเซอร์ดังกล่าว)” เขาอธิบาย
เลเซอร์คอมโบเปิดเทคโนโลยีเทอร์เฮิร์ตซ์แห่งอนาคตตามข้อมูลของ Forbes คุณลักษณะที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งคือคานที่มีโมเมนตัมเชิงมุม 10 และ 100 หน่วยมีขนาดแตกต่างกันอย่างมากเมื่อออกมาจากเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อพวกมันเดินทางรอบโพรง มันจะมาบรรจบกันเป็นรูปร่างและขนาดที่ใกล้เคียงกัน ซึ่งพวกมันได้รับประสบการณ์การมองเห็น วิธีนี้ช่วยให้สามารถใช้โหมดเชื่อมโยงกัน ซึ่งเป็นสัญญาณบอกเล่าของการเกิดคลื่น แม้ว่าลำแสงจริงจะปรากฏแยกจากกันในเชิงพื้นที่
“เราสามารถใช้แสงประเภทนี้เพื่อขับเคลื่อนเฟืองเกียร์ในสถานการณ์ที่ระบบกลไกทางกายภาพจะไม่ทำงาน เช่น ในระบบไมโครฟลูอิดิกเพื่อขับเคลื่อนการไหล” เขาอธิบาย “ระบบดังกล่าวสามารถใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์แล็บบนชิปขนาดเล็กซึ่งจะทำยาบนชิปตัวเดียวมากกว่าในอุปกรณ์ทดลองขนาดใหญ่ในห้องปฏิบัติการ”
Credit : experiencethejoy.net expertlistbuilding.com fairytalefavors.net fioredicappero.com forumperekur.com
