Les chercheurs ont démontré le premier laser de métasurface au monde qui produit une "lumière super-chirale":une lumière avec un moment angulaire ultra-élevé. La lumière de ce laser peut être utilisée comme un type de "clé optique" pour ou pour coder des informations dans les communications optiques.

"Parce que la lumière peut transporter un moment angulaire, cela signifie que cela peut être transféré à la matière. La lumière porte plus de moment angulaire, plus il peut transférer. Vous pouvez donc considérer la lumière comme une « clé optique », " Le professeur Andrew Forbes de la School of Physics de l'Université du Witwatersrand (Wits) à Johannesburg, Afrique du Sud, qui a dirigé la recherche. "Au lieu d'utiliser une clé physique pour tordre des choses (comme visser des écrous), vous pouvez maintenant éclairer l'écrou et il se resserrera de lui-même."

Le nouveau laser produit une nouvelle "lumière torsadée" de haute pureté qui n'était pas observée auparavant avec les lasers, y compris le moment angulaire le plus élevé signalé par un laser. Simultanément, les chercheurs ont développé une métasurface nanostructurée qui a le plus grand gradient de phase jamais produit et permet un fonctionnement à haute puissance dans un design compact. L'implication est un premier laser au monde pour produire des états exotiques de lumière structurée torsadée, sur demande.

Photonique de la nature a publié aujourd'hui en ligne les recherches menées dans le cadre d'une collaboration entre Wits et le Conseil pour la recherche scientifique et industrielle (CSIR) en Afrique du Sud, Université Harvard (États-Unis), l'Université nationale de Singapour (Singapour), Vrije Universiteit Brussel (Belgique) et CNST—Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Via Giovanni Pascoli (Italie).

Dans leur article intitulé :États de moment angulaire orbital de haute pureté d'un laser de métasurface visible, les chercheurs font la démonstration d'un nouveau laser pour produire n'importe quel état de lumière chiral souhaité, avec un contrôle total sur les deux composantes du moment angulaire (AM) de la lumière, le spin (polarisation) et le moment angulaire orbital (OAM) de la lumière.

La conception du laser est rendue possible par le contrôle complet offert par la nouvelle métasurface nanométrique (1000 fois plus petite que la largeur d'un cheveu humain) - conçue par le groupe Harvard - au sein du laser. La métasurface est constituée de nombreux petits bâtonnets de nanomatériau, qui altère la lumière au passage. La lumière traverse la métasurface plusieurs fois, recevoir une nouvelle tournure à chaque fois qu'il le fait.

"Ce qui le rend spécial, c'est qu'à la lumière, le matériau a des propriétés impossibles à trouver dans la nature, et c'est ainsi qu'on l'appelle un « métamatériau » – un matériau imaginaire. Parce que les structures étaient si petites qu'elles n'apparaissent qu'à la surface pour former une métasurface."

Le résultat est la génération de nouvelles formes de lumière chirale non observées à partir de lasers jusqu'à présent, et un contrôle complet de la chiralité de la lumière à la source, clôture d'un défi ouvert.

"Il y a actuellement une forte volonté d'essayer de contrôler la matière chirale avec une lumière tordue, et pour que cela fonctionne il faut une lumière à très haute torsion :lumière super-chirale, " dit Forbes. Diverses industries et domaines de recherche nécessitent une lumière super-chirale pour améliorer leurs processus, y compris la nourriture, industries informatiques et biomédicales.

"Nous pouvons utiliser ce type de lumière pour entraîner des engrenages optiquement là où les systèmes mécaniques physiques ne fonctionneraient pas, comme dans les systèmes micro-fluidiques pour piloter le flux, " dit Forbes. " En utilisant cet exemple, le but est d'effectuer la médecine sur puce plutôt que dans un grand laboratoire, et est communément appelé Lab-on-a-Chip. Parce que tout est petit, la lumière est utilisée pour le contrôle :pour déplacer des choses et trier des choses, comme les bonnes et les mauvaises cellules. La lumière torsadée est utilisée pour entraîner des micro-engrenages pour faire fonctionner le flux, et pour imiter les centrifugeuses avec de la lumière."

Le défi chiral

La « chiralité » est un terme souvent utilisé en chimie pour décrire des composés qui se présentent comme des images miroir les uns des autres. Ces composés ont une « latéralité » et peuvent être considérés comme gauchers ou droitiers. Par exemple, les arômes de citron et d'orange sont le même composé chimique, mais ne diffèrent que par leur « maniabilité ».

La lumière est aussi chirale mais a deux formes :le spin (polarisation) et l'OAM. Spin AM est similaire aux planètes tournant autour de leur propre axe, tandis que OAM est similaire aux planètes en orbite autour du Soleil.

« Contrôler la chiralité de la lumière à la source est une tâche difficile et d'une grande actualité en raison des nombreuses applications qui le nécessitent, du contrôle optique de la matière chirale, à la métrologie, à la communication, " dit Forbes. " Le contrôle chiral complet implique le contrôle du moment angulaire complet de la lumière, polarisation et OAM."

En raison des restrictions de conception et des obstacles à la mise en œuvre, seul un très petit sous-ensemble d'états chiraux a été produit à ce jour. Des schémas ingénieux ont été mis au point pour contrôler l'hélicité (la combinaison du spin et du mouvement linéaire) des faisceaux OAM, mais eux aussi restent limités à cet ensemble symétrique de modes. Il n'était pas possible d'écrire un état de lumière chiral souhaité et de le faire produire par un laser, jusqu'à maintenant.

Laser de métasurface

Le laser a utilisé une métasurface pour imprégner la lumière d'un moment angulaire ultra-élevé, en lui donnant un "twist" sans précédent dans sa phase tout en contrôlant également la polarisation. Par contrôle arbitraire du moment angulaire, la symétrie spin-orbite standard pourrait être rompue, pour le premier laser à produire un contrôle complet du moment angulaire de la lumière à la source.

La métasurface a été construite à partir de nanostructures soigneusement conçues pour produire l'effet souhaité, et est la structure OAM la plus extrême fabriquée à ce jour, avec le gradient de phase le plus élevé jamais signalé. La résolution nanométrique de la métasurface a rendu possible un vortex de haute qualité avec une faible perte et un seuil de dommage élevé, rendre le laser possible.

Le résultat était un laser qui pouvait fonctionner sur des états OAM de 10 et 100 simultanément pour la plus haute AM signalée par un laser à ce jour. Dans le cas particulier où la métasurface est configurée pour produire des états symétriques, le laser produit ensuite tous les états OAM antérieurs signalés par les lasers à lumière structurée personnalisés.

Aller de l'avant

"Ce que nous trouvons particulièrement excitant, c'est que notre approche se prête à de nombreuses architectures laser. Par exemple, nous pourrions augmenter le volume de gain et la taille de la métasurface pour produire un laser en vrac à haute puissance, ou nous pourrions réduire le système sur une puce en utilisant une conception de métasurface monolithique, " dit Forbes.

"Dans les deux cas, le mode laser serait contrôlé par la polarisation de la pompe, ne nécessitant aucun élément intra-cavité autre que la métasurface elle-même. Notre travail représente une étape importante vers la fusion de la recherche sur les lasers en vrac avec celle des dispositifs sur puce. »