Ottica Express ricerca pubblicata di recente che dimostra un laser in grado di produrre un nuovo tipo di raggio vettoriale. Questo cosiddetto raggio vettoriale-ray-wave con 5 gradi di libertà rompe il paradigma del convenzionale raggio vettoriale a vortice, che apre la strada alla manipolazione di nuovi fenomeni quantistici-classici per comunicazioni ad alta capacità.

Tipicamente, la luce emessa dai laser standard ha un grado di libertà controllabile che può essere conferito attraverso la polarizzazione o la forma del raggio. Manipolando opportunamente un laser con l'introduzione di componenti ottici specializzati, un'uscita con 2 gradi di libertà, come fasci di vortici vettoriali con polarizzazione controllabile e momento angolare orbitale (OAM). Il termine "vettore" descrive un cambiamento strutturato nella polarizzazione attraverso il fascio e "vortice" descrive la torsione della fase nel fascio (OAM), molto simile a un tornado. Non era possibile trascendere 2 gradi di libertà da un laser. Sfruttando la dualità raggio-onda in un laser a frequenza degenerata, ora è possibile selezionare un raggio vettoriale con 5 gradi di libertà.

Il concetto di dualità raggio-onda all'interno dei laser può essere descritto come un modello d'onda modale associato a una traiettoria periodica del raggio. Un laser standard ha un modello di modalità che oscilla tra il centro di due specchi su un percorso rettilineo perpendicolare agli specchi. Però, nel caso di una traiettoria periodica, anche il pattern mode oscilla tra due specchi ma segue un percorso non perpendicolare, simile a un motivo a zig-zag. Studi precedenti hanno riportato solo su una singola traiettoria con una certa dimensione trasversale; però, questo lavoro ha dimostrato la selezione di due traiettorie con diverse dimensioni trasversali e fasi oscillanti, associata alla trasformazione astigmatica. Questa uscita esotica costituisce 4 gradi di libertà, vale a dire, numero periodico (numero di raggi), indice trasversale (numero di raggi in uscita), fase oscillante, e grado astigmatico. Ciò si traduce in un output strutturato in vettori e, a sua volta, il quinto grado di libertà. Con questo, l'uscita viene trasformata in una traiettoria attorcigliata convertendo l'indice trasversale in uno che possiede momento angolare orbitale con un convertitore di modo astigmatico esterno.

È importante sottolineare che questo output strutturato a onde di raggio è detto non separabile, simile alla descrizione della meccanica quantistica degli stati entangled, nell'angolo di orientamento tra gli indici trasversali. "Crediamo che contenga una grande novità, perché la creazione di tali ultra-gradi di libertà, la luce vettoriale è molto utile nella descrizione e nell'ulteriore esplorazione di fenomeni fisici fondamentali come gli effetti ottici di spin Hall per estendere nuove applicazioni in pinzette ottiche e comunicazioni e per manipolare nuovi stati classici di tipo quantistico, " dice il dottor Shen.

La dimostrazione sperimentale proviene da una cavità laser altrimenti "vuota", l'assenza di componenti ottici specializzati. Ciò rappresenta un ulteriore vantaggio in quanto il laser è costituito da un'architettura semplice, eppure emette un raggio vettoriale con 5 gradi di libertà, ben oltre un progresso incrementale. "Il numero di raggi nell'uscita ritorta può essere facilmente manipolato mediante un attento controllo dei parametri laser come la distanza tra gli specchi e la posizione della pompa, che fornisce un semplice, soluzione compatta ed elegante alla fonte, " dice il dottor Darryl Naidoo del CSIR.

"Il Sudafrica e la Cina sono già partner dei BRICS, con i piani per la creazione di un centro di fotonica virtuale nell'ambito di questo programma. Il presente lavoro ha messo in evidenza ciò che è possibile quando si riuniscono squadre dei migliori istituti in Cina (Tsinghua U.) e Sud Africa (CSIR e U. Witwatersrand). Ci auguriamo che tali iniziative di collaborazione possano continuare in futuro, " afferma il prof. Andrew Forbes della WITS University.

È probabile che il concetto del laser attiri l'interesse sia della comunità accademica che di quella industriale. Questo risultato promette di estendere convenientemente le applicazioni nello spazio del raggio vettoriale e avere tali raggi su richiesta da un laser aprirà sicuramente nuove aree di applicazione.