فیزیکدان‌های آمریکایی با یک لیزر جدید، گردابه‌ای چرخشی از نور ایجاد کرده‌اند. این «لیزر نقص توپولوژیکی» با کنترل شارش‌ها و ذرات بسیار ریز، می‌تواند همراه مفیدی برای ابزارهای آزمایشگاهی تراشه‌ای باشد. طراحی آن همچنین قابلیت تغییر برای تولید پرتوهایی از نور با تکانه‌ی زاویه‌ای مداری (OAM) را داراست.

نقص عمدی:  یک کریستال فوتونیک، کاواک اپتیکی را در بر می‌گیرد.

لیزرهای متعارف نور را به رفت و برگشت در یک کاواک اپتیکی که از دو آینه‌ی مقابل هم ساخته شده مقید می‌کنند. هویی کائو Hui Cao و همکارانش در دانشگاه یِیل و موسسه کوانتوم جوینت در دانشگاه مریلند، با ساختن کاواکی اپتیکی که نور را به چرخیدن حول یک گردابه مقید می‌کند پیچش جدیدی به این طراحی داده‌اند. آن‌ها کاواک اپتیکی خود را درون یک کریستال فوتونیک ساخته‌اند. این کریستال ماده‌ای شامل آرایه‌ای منظم از المان‌هایی است که متناسب با طول موج نور از هم فاصله دارند. نوری که طول موج مشخصی داشته باشد و در جهت خاصی حرکت کند آزادانه از درون کریستال فوتونیک می‌گذرد اما نوری که فاقد چنین شرایطی باشد به مسیر جدیدی پراکنده خواهد شد.

گردابه‌ی توپولوژیکی

کریستال فوتونیک تیم تحقیقاتی از ردیفی از سوراخ‌ها در ورقه‌ی نازکی از گالیوم آرسناید تشکیل شده است. هر سوراخ بیضی شکل بوده و جهت‌گیری زاویه‌ای هر بیضی به گونه‌ای طراحی شده که یک «نقص توپولوژیکی» گردابه-مانند ایجاد کند. کاواک‌های اپتیکی لیزر در مرکز نقص قرار دارد و یک مربع جامد از گالیوم آرسناید بدون سوراخ‌های هواست. این ساختار طوری طراحی شده که نورِ درون کاواک از دیواره‌ها بازتاب می‌کند و لذا موجب می‌شود که حرکت نور در اطراف کاواک به صورت گردابه‌ای باشد.  

ورقه‌ی گالیوم آرسناید همچنین شامل سه لایه نقطه‌ی کوانتومی از جنس ایندیوم آرسناید است. این پژوهشگران برای راه‌اندازی لیزر نقص-توپولوژیکی خود، ابتدا وسیله را با پالس‌هایی از یک لیزر خارجی پمپ کردند. این کار، نقطه‌های کوانتومی را به یک حالت برانگیخته می‌برد که پس از آن با گسیل نور لیزر فرو افت می‌کنند. تابش گسیل شده، با چرخش به دام افتاده‌ی نور تحریک شده و وسیله مانند یک لیزر عمل خواهد کرد اما با نوری که به جای رفت و برگشت، روی یک دایره حرکت می‌کند.

نور چرخیده

یکی از کاربردهای بالقوه‌ی این لیزر، کنترل شارش ذرات بسیار ریز در ابزارهای آزمایشگاهی تراشه‌ای است. کائو به physicsworld.com گفت « من با متخصصین منظم‌سازی ذرات در تماس بوده‌ام». او همچنین افزود که تیم وی در حال کار بر روی لیزر نقص توپولوژیکی جدیدی هستند که برای خروج «‌نور چرخیده» با OAM طراحی می‌شود. چنین نوری می‌تواند کاربردهای وسیعی در مخابرات نوری راه دور، محاسبات کوانتومی و تکنیک‌های تحلیلی در شیمی و زیست شناسی داشته باشند. این لیزر جدید در مقاله‌ای در Journal of Optics توصیف شده و به صورت رایگان برای مطالعه در دسترس است.

منبع

New laser creates a swirling vortex of light