[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出一种集成化、紧凑型器件，利用连续态束缚态（bound states in continuum）同时生成并波束成形高功率、相干的涡旋光束，携带轨道角动量。该系统可实现微粒与微生物的快速、高效操控，适用于大容量通信、生物传感及先进显微技术。

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.

研究动机与目标

• 克服传统用于生成具有轨道角动量的结构光时所用的大体积、低速组件的局限性。
• 开发一种集成光子平台，可在芯片上协同生成并波束成形相干涡旋光束。
• 实现对携带轨道角动量的光束的快速、动态控制，以满足实际应用需求。
• 利用已知的波场奇点——连续态束缚态，实现高效、稳定的结构光发射。

提出的方法

• 利用连续态束缚态（BICs）创建具有拓扑保护的强局域化光学模式。
• 设计一种单片集成光子芯片，支持BICs，以生成具有特定轨道角动量的涡旋光束。
• 通过调控发射光的相位与振幅，设计器件几何结构以实现光束转向。
• 通过BIC模式间的相干耦合，实现高功率、定向的结构光发射。
• 将有源增益材料集成到BIC结构中，实现具有轨道角动量的激光振荡。
• 通过仿真与理论分析验证器件性能，包括光束轮廓、发散角及角动量含量。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可利用连续态束缚态在紧凑、集成器件中实现涡旋光束的生成与波束成形？
• RQ2 如何在芯片级平台上高效、相干地生成并波束成形轨道角动量光束？
• RQ3 基于BIC的涡旋激光系统可实现的最大功率与方向性为何？
• RQ4 该器件是否可实现无机械部件的涡旋光束动态转向？
• RQ5 此类集成化涡旋激光系统在相干性与稳定性方面的基本极限是什么？

主要发现

• 该器件成功在单一集成平台上生成并波束成形具有明确轨道角动量的相干涡旋光束。
• 利用连续态束缚态可实现高质量、低阈值的激光振荡，具有强空间局域化与低衍射特性。
• 该系统可在无活动部件的情况下实现涡旋光束的动态波束成形，利用BIC结构中的相位控制实现。
• 该器件实现高功率发射且发散角小，适用于长距离应用。
• 将BICs与有源增益材料集成，可在芯片上实现高效、相干的结构光发射。
• 该方法为微操控、生物传感及大容量光通信应用开辟了新途径。