[論文レビュー] Integrated and Steerable Vortex Lasers

Babak Bahari, Felipe Vallini+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2017

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 27被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、連続体内の束縛状態（BIC）を用いた統合的でコンactなデバイスを提案し、軌道的角運動量を有する強力でコherentな渦状ビームを同時に生成・指向制御する。このシステムにより、微粒子や微生物の高速で効率的な操作が可能となり、高容量通信、生物学的センシング、高度な顕微鏡法への応用が可能となる。

ABSTRACT

Orbital angular momentum is a fundamental degree of freedom of light that manifests itself even at the single photon level. The coherent generation and beaming of structured light usually requires bulky and slow components. Using wave singularities known as bound states in continuum, we report an integrated device that simultaneously generates and beams powerful coherent beams carrying orbital angular momentum. The device brings unprecedented opportunities in the manipulation of micro-particles and micro-organisms, and, will also find applications in areas such as biological sensing, microscopy, astronomy, and, high-capacity communications.

研究の動機と目的

• 従来、軌道的角運動量を有する構造的光を生成するために用いられてきた大型で遅い部品の制限を克服すること。
• チップ上ですべての機能を統合し、コherentな渦状ビームを同時に生成・指向できる光子プラットフォームの開発。
• 実用的応用を想定し、軌道的角運動量を有する光ビームの高速で動的な制御を可能にすること。
• 高効率で安定した構造的光の放射を実現するため、連続体内の束縛状態（BIC）と呼ばれる波の特異性を活用すること。

提案手法

• トポロジカル保護を備えた高密度に閉じ込められた光学モードを生成するために、連続体内の束縛状態（BIC）を活用。
• BICを支持するモノリシックで統合された光子チップを設計し、定義された軌道的角運動量を有する渦状ビームを生成。
• 発光光の位相と振幅を制御することで、デバイスの幾何形状を設計し、ビーム指向制御を実現。
• BICモード間のコherent結合を活用し、高出力で方向性のある構造的光の放射を実現。
• BIC構造に活性ゲイン材料を統合し、軌道的角運動量を有するレーザー発振を実現。
• ビームプロファイル、発散角、角運動量含量のシミュレーションと理論的分析を通じて、デバイス性能を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続体内の束縛状態（BIC）を活用して、コンパクトで統合されたデバイスで渦状ビームを生成・指向制御することは可能か？
• RQ2 チップスケールプラットフォーム上で、軌道的角運動量をコherentに効率よく生成・指向するにはどうすればよいか？
• RQ3 BICを基盤とする渦状レーザー・システムで達成可能な最大出力と指向性はどの程度か？
• RQ4 機械的部品を一切使用せずに、渦状ビームの動的指向制御が可能か？
• RQ5 このような統合済み渦状レーザー・システムにおけるコherencyと安定性の根本的限界は何か？

主な発見

• 本デバイスは、1つの統合プラットフォーム上で、明確に定義された軌道的角運動量を有するコherentな渦状ビームを効果的に生成・指向可能であることを確認した。
• 連続体内の束縛状態（BIC）の利用により、高品質で低しきい値のレーザー発振が実現され、強い空間的閉じ込めと低回折が達成された。
• BIC構造内の位相制御を活用することで、可動部品を一切使用せずに渦状ビームの動的指向制御が可能となった。
• 低発散で高出力の放射が実現され、長距離用途に適した性能を示した。
• BICと活性ゲイン材料の統合により、チップ上での効率的でコherentな構造的光の放射が実現された。
• 本手法により、マイクロマニピュレーション、生物学的センシング、高容量光通信への応用の新たな道筋が開かれた。