Effektive generationer af komplekse vektorielle optiske felter med metasurfaces

Vektorielle optiske felter (VOF'er), der udviser vilkårligt designede bølgefronter og polarisationsfordelinger, er meget ønsket i fotonik. For effektivt at generere vilkårlige VOF'er, forskere i Kina foreslog en generisk tilgang baseret på metasurfaces, der udviser fuldmatrix, men alligevel inhomogene Jones-matrix-distributioner. Baseret på deres strategi, effektive generationer af komplekse VOF'er i både fjern- og nærfelt blev eksperimentelt demonstreret i NIR-regimet. Den foreslåede meta-platform åbner nye veje til forskellige fotoniske applikationer, såsom optisk fangst og superopløsning.

Lysstråler er meget udbredt i fotoniske applikationer og har tiltrukket enorm forskningsinteresse. Sammenlignet med homogent polariserede lysstråler, vektorielle optiske felter (VOF'er) med skræddersyede bølgefronter og inhomogene polarisationsfordelinger udviser flere fordele i applikationer sammenlignet med deres skalarbølgede modstykker, takket være den ekstra grad af frihed (DOF) ved polarisering. Ved at skræddersy polarisationsfordelingerne, særlige VOF'er såsom flap-top bjælker og radialt polariserede bjælker kan genereres, er stærkt begunstiget i superopløselig mikroskopi, optiske manipulationer, etc.

På trods af store fremskridt inden for applikationer, Generering af sådanne komplekse VOF'er er langt fra tilfredsstillende. Tilgængelige metoder baseret på konventionelle materialer lider af omfangsrig størrelse og problemer med lav effektivitet, på grund af den begrænsede elektromagnetiske reaktion fra naturlige materialer. Og for nylig, metasurfaces har været meget udbredt til at generere VOF'er i forskellige frekvensområder, men mest til fjernfeltgenerering med visse begrænsede polarisationsfordelinger (f.eks. radiale eller azimutale lineære polarisationer). Ud over, komplekse VOF'er i nærfeltet med vilkårlige polarisationsfordelinger genereres hidtil sjældent med metasurfaces.

I et nyligt udgivet papir i Lys:Videnskab og applikationer , Prof. Lei Zhou's gruppe fra Fysisk Institut ved Fudan University i Kina, foreslog en generisk tilgang til effektivt at generere vilkårlige VOF'er baseret på metasurfaces, der udviser fuldmatrix, men alligevel inhomogene Jones-matrix-distributioner. For at illustrere gennemførligheden og kraften i deres strategi, de belyste deres koncept baseret på analytiske beregninger på modelniveau, og eksperimentelt demonstreret en meta-enhed som et benchmark, der samtidigt kan afbøje lys og manipulere dets polarisering på en kontrollerbar måde. Derefter, de demonstrerede yderligere eksperimentelt generationer af fjernfelt VOF'er, der udviste en hvirvelbølgefront med en inhomogen polarisationsfordeling og generering af en nærfelt VOF med specialdesignede bølgefront- og polarisationsfordelinger og endda orbital vinkelmoment, dvs. en cylindrisk polariseret vortexoverfladeplasmonbølge. Den fremragende ydeevne af realiserede meta-enheder og den gode overensstemmelse mellem de eksperimentelle resultater i NIR-regimet, simuleringerne og analytiske beregninger validerede deres tilgang godt, at lave en sådan meta-platform som en alternativ vej til at generere komplekse VOF'er. Disse forskere opsummerer deres VOF -generationsplatform:

"vi etablerer en generisk strategi til design af ultratynde meta-enheder til effektivt at generere vilkårlige VOF'er (herunder både fjernfelt og nærfelt) som ønsket, og eksperimentelt demonstrere konceptet i det nær-infrarøde (NIR) regime. Nøgletanken er at antage, at meta-enheden viser en inhomogen Jones-matrix med fuld matrix, dermed besiddelse af kontrolfunktionerne på både lokal spin og global bølgefront af en lysstråle. Den foreslåede strategi er så generisk, at vi kan designe VOF-generationens meta-enheder, der arbejder for at ramme lys med vilkårlige hændelsesvinkler og polariseringer i både refleksion og transmission geometrier, "tilføjede de.

"Sammenfattende, ved at udnytte de fulde frihedsgrader, der leveres af fuldmatrix-inhomogen Jones-matrix, vi etablerer en generel strategi for at realisere meta-enheder til at generere VOF'er både i nær- og fjernfeltet, med alle designede bølgefronter og lokale polarisationsfordelinger. Efter at have illustreret vores generiske koncept ved både analytiske beregninger på modelniveau og benchmarkeksperimenter på en anomalt reflekterende halvbølge-plade, vi demonstrerer vores tilgangs fulde muligheder ved eksperimentelt at realisere to meta-enheder ... Vores resultater tilbyder en systematisk tilgang til at designe ultrakompakte optiske enheder til at generere vilkårlige VOF'er under generelle forhold i forskellige frekvensområder, som er af stor betydning i både grundforskning og fotoniske applikationer. Mange fremtidige værker kan forventes langs denne linje, såsom at udvide konceptet til transmissionsgeometri, ikke-normale hændelser, inhomogene amplituder og vilkårlige hændelsespolarisationer, og anvendelse af de genererede VOF'er på flerkanals kommunikation, nærfeltmåling, optisk fangst, og superopløsningsbilleddannelse, "konkluderer forskerne.