Vortex Laser based on III-V semiconductor metasurface: direct generation of coherent Laguerre-Gauss modes carrying controlled orbital angular momentum

物理 旋涡 角动量 轨道角动量复用 光子学 光学 涡流 激光器 光的轨道角动量 凝聚态物理 总角动量 量子力学 热力学
作者
Mohamed Seghilani,M. Myara,Mohamed Sellahi,Luc Legratiet,I. Sagnes,G. Beaudoin,Philippe Lalanne,A. Garnache
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:6 (1) 被引量:62
标识
DOI:10.1038/srep38156
摘要

The generation of a coherent state, supporting a large photon number, with controlled orbital-angular-momentum L = ħl (of charge l per photon) presents both fundamental and technological challenges: we demonstrate a surface-emitting laser, based on III-V semiconductor technology with an integrated metasurface, generating vortex-like coherent state in the Laguerre-Gauss basis. We use a first order phase perturbation to lift orbital degeneracy of wavefunctions, by introducing a weak anisotropy called here "orbital birefringence", based on a dielectric metasurface. The azimuthal symmetry breakdown and non-linear laser dynamics create "orbital gain dichroism" allowing selecting vortex handedness. This coherent photonic device was characterized and studied, experimentally and theoretically. It exhibits a low divergence (<1°) diffraction limited beam, emitting 49 mW output power in the near-IR at λ ≃ 1 μm, a charge l = ±1, … ±4 (>50 dB vortex purity), and single frequency operation in a stable low noise regime (0.1% rms). Such high performance laser opens the path to widespread new photonic applications.
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