光莫比乌斯带推动新型光学技术应用

【蜂耘网   激光光学】美国马里兰州国家标准与技术研究所首次提出并制备了光莫比乌斯带，其基于环形微谐振腔，光在谐振器内两次循环后才会恢复到其原始状态。光莫比乌斯带结构可用于一系列例如传感和计量、非线性光学和腔量子电动力学等应用。相关研究成果已发表于Physical Review Letters。

在数学上，莫比乌斯带是一种独特的拓扑结构。将纸条上扭转一下，然后将两端粘在一起即可形成一个莫比乌斯环。它的独特性在于，当沿着条带表面画一条线，在再次到达起点会整体经过环带两次。

在本研究中，研究人员展示了基于回音壁模式 (WGM) 的微环形波导（微谐振器）创建莫比乌斯环的拓扑结构。回音壁具有或类似于圆环的结构，其可以多次反射声音或光线，使信号多次循环并返回其原点。

当 WGM用作光学微谐振器时，每次循环光的电场相位将完成整数次振荡，即在起点处具有相同的值。因此，WGM 中光角动量的值是整数。

如何将光扭曲成莫比乌斯带

SEM图像：基于氮化硅微环的光莫比乌斯带。

在之前的研究中，Lu 和他的同事们创造了一个 WGM 微谐振器，在环的内侧有偶数个数的规则的齿状凹痕。这类似于一个光子晶体，其具有将光在环周围的传播速度减慢十倍的效果。慢光效应辅助进一步操纵光线。

在最新的研究中，研究人员在环形结构上引入了奇数个数的缺口。环由氮化硅制成，直径为 50 微米，共有 333 个凹口。这样，环路中循环的光具有半整数值的角动量。 333 个缺口意味着光的角动量是 333/2 的倍数。此外，光在返回其原始电场相位之前必须绕过环路两次。当它沿着这条路径行进时，光波电场的方向描绘出了类似莫比乌斯带的拓扑结构。

实验上，他们通过观察从环中散射出来的光来表征微谐振器中的光模式。对于器件中传输等基模，环上观察到一个亮点。此外，他们还观察到了更高的模式，其模式特点是点数为奇数：例如3、5、7和9。这一现象与之前的微谐振器明显不同，后者具有偶数个齿数和偶数个亮点。

原文链接:https://physicsworld.com/a/mobius-strip-for-light-could-give-optical-technologies-a-boost/

（蜂耘激光光学网   责任编辑：行云）