Metasurface hologrammer:Hurtig, kompakte polarisationsmålinger til spektroskopi og sansning

For første gang, forskere har brugt ultratynde lag af 2-D strukturer kendt som metasurfaces til at skabe hologrammer, der kan måle lysets polarisering. De nye metasurface -hologrammer kunne bruges til at skabe meget hurtige og kompakte enheder til polarisationsmålinger, som bruges til spektroskopi, registrerings- og kommunikationsapplikationer.

Metasurfaces er optiske elementer med nanoskala funktioner og en samlet tykkelse, der er mindre end 1/50 af et menneskehår. De kan laves med standard mikroelektronik fremstillingsteknikker, muliggør masseproduktion, og kan let integreres i wafer-skala optiske systemer. På trods af disse lovende funktioner, de er endnu ikke brugt i mange praktiske anvendelser.

I Optica , Optical Society's journal for high impact research, en multiinstitutionel gruppe forskere rapporterer ved hjælp af metasurface-hologrammer til effektivt og hurtigt at bestemme polarisering ved nær-infrarød til synlige bølgelængder. Det nye arbejde repræsenterer et skridt i retning af funktionelle metasurface-baserede enheder til at understøtte en række applikationer fra telekommunikation til kemisk analyse.

"Hologrammer lavet af metasurfaces er en effektiv og effektiv måde at generere billeder i høj kvalitet med subbølgelængdeopløsning, "sagde forskningsteamleder Xueqian Zhang fra Tianjin University, Kina. "Vores arbejde anvender unikt metasurface -hologrammer til polarisationsmålinger, som kunne muliggøre kamerastørrelsesenheder, der måler polarisering i et trin uden bevægelige dele. "

Måling af polarisering direkte

Selvom sollys og de fleste husholdningens lyskilder udsender upolariseret lys, der oscillerer i alle retninger, optiske komponenter som filtre kan bruges til at producere polariseret lys, der formerer sig i bare et enkelt plan - typisk lodret eller vandret. Analytiske instrumenter såsom spektrometre kan måle, hvordan lyspolarisering ændres efter interaktion med et materiale for at bestemme dets fysiske egenskaber. Forskellige lyspolarisationer kan også bruges til at sende flere signaler gennem optiske fibre til telekommunikationsapplikationer.

Konventionelle metoder til bestemmelse af polarisering kræver ofte flere målinger, omfangsrige optiske opsætninger eller præcis justering af optiske komponenter af høj kvalitet for indirekte at bestemme polarisationstilstanden. I det nye værk, forskerne brugte i stedet en metasurface til at bestemme polarisering direkte ved at sammenligne amplituden og fasen af ​​lysbølger, der er polariseret vinkelret på sig selv.

Metasurface genererer to overlappende holografiske billeder, en, der er venstrehåndet cirkulært polariseret (LCP) og en anden, der er højrehåndet cirkulært polariseret (RCP). Cirkulært polariseret lys har et elektrisk feltoscillationsplan, der roterer til venstre eller højre i et plan vinkelret på bølgeretningen.

"De overlappende billeder kan enkelt og hurtigt optages ved hjælp af et CCD -kamera, "sagde Zhang.

"Ved at analysere interferensen mellem de to holografiske billeder, vi kan få amplitudekontrasten og faseforskellen mellem LCP- og RCP -komponenterne i den indfaldende stråle, og dermed identificere polarisationstilstanden. "

Nøglen til den nye teknik var en algoritme kaldet Gerchberg-Saxton, som er meget udbredt i holografisk forskning. Forskerne fandt ud af, hvordan man ændrer denne algoritme, så den kunne bruges til at identificere faseforskellen mellem LCP- og RCP -komponenterne i det indfaldende lys i de overlappende holografiske billeder.

Effektive polarisationsmålinger

Forskerne demonstrerede deres nye metasurface -holografiske tilgang ved at bruge den til at måle polariseringstilstandene for belysende lysstråler med kendte polarisationer. De målte polarisationstilstande matchede godt med de kendte, bekræfter fremgangsmådenes effektivitet. I fremtiden, metasurface kunne inkorporeres i et kameras lysfølsomme område for at lave en kompakt enhed til måling af polarisering.

Metasoverfladen, forskerne brugte, er baseret på Pancharatnam-Berry-fasemetoden (også kendt som geometrisk fase), som har relative fasereaktioner, der ikke udviser nogen dispersion. Dette gør det muligt for metasurface -hologrammerne at arbejde over en bred vifte af bølgelængder.

"Vores metode kan udvides til mange potentielle applikationer, der kræver polarisationsmåling, såsom polarisationsspektroskopi, sansning og kommunikation, "sagde Zhang." Polariseringskodet holografi kan også bruges til overførsel af sikkerhedsoplysninger, fordi kun en modtager, der kender de ønskede polarisationstilstande, kan afkode information fra de endelige holografiske billeder. "

Nu hvor de har bevist konceptet, forskerne planlægger at forbedre metodens effektivitet og vil sammenligne dens ydeevne med konventionelle kommercielle instrumenter, der bruges til at måle polarisering.