Fotonisk diasregel:Samtidig opløsning af bølgelængde og polarisationstilstand

Mid-wavelength infrared (MWIR) er et unikt regime med forskellige potentielle anvendelser inden for fingeraftryksdetektion. Det er også et af tre atmosfæriske transmissionsvinduer, der viser betydelige muligheder inden for nattesyn med lavt lysniveau og frirumskommunikation. Den nøjagtige detektion af ukendte fotoner i dette bånd spiller en uundværlig rolle i luftfarts- og astronautikapplikationer. Men med den konventionelle voluminøse måleopsætning med mange kaskadede optiske elementer eller metasurface-baserede enheder, er de begrænset af den begrænsede langsgående spredning og manglen på samtidig opløsning af bølgelængde og polarisationstilstand.

I et nyt papir offentliggjort iLight:Science &Applications , et team af videnskabsmænd, ledet af Dr. Guanhai Li fra statens nøglelaboratorium for infrarød fysik, Shanghai Institute of Technical Physics, Kina, og kolleger har foreslået en alsidig fotonisk glideregel baseret på en metaoverflade af silicium, der muliggør samtidig rekonstruktion af indfaldende fotoners frekvens og polarisationstilstand. Metaoverfladen udnytter både akromatisk fokuserende og azimutalt udviklende faser med topologiske ladninger +1 og -1 for at sikre de konfokale ringformede intensitetsfordelinger i fjernfeltet.

Inspireret af konventionelle diasregler, som integrerer beregningsreglerne i de iboende udviklinger af fysiske parametre, præsenterer holdet den fotoniske diasregel og demonstrerer prototypen til at karakterisere indfaldende fotoners frekvens og polarisationstilstand. Med et metasurface-design af silicium svarer forskellige bølgelængder og polarisationstilstande til forskellige faseprofiler, hvilket resulterer i de vinkelopløste fokuseringspunkter i fjernfeltet. To distinkte grupper af meta-atomer er designet til at have forskellige hvirvelstrålebærere og fasedispersioner. Det vinkelopløste interferensmønster i fjernfeltet af to grupper af meta-atomer giver en let tilgængelig genfinding af bølgelængden og polarisationstilstanden. Som en analog migrerer de med succes den aritmetiske logik af dispersive faser til den iboende variation af fotoniske dimensioner - frekvens og polarisering med metaoverfladen udelukkende af silicium.

The research team selected the meta-atoms with different polarization responses and arranged with spatial multiplexing to further construct the secondary mapping of the unknown photon polarization information in the focal plane. With this handling, they achieved the simultaneous resolving of the frequency and polarization state of the unknown incident photon. As shown in Figure 2, the rotation angles of the inner and outer rings resolve the frequency of the incident photon, while the polarization information of the incident photon can be straightforwardly obtained from the position of the focusing spots. The inner ring corresponds to the left-handed circular polarization state, and the outer ring is right-handed circular polarization state.

Finally, through theoretical analysis, numerical simulation and experimental measurement, the research team confirmed that the metasurface-based photonic slide rule can effectively overcome the limitation of traditional bulk material devices in the workspace, especially the axial distance, and realized a new scheme of ultra-compact and highly-integrated characterization of the unknown photons' wavelength and polarization state. This work provides an analog of the conventional slide rule to flexibly characterize the photons in an ultra-compact and multifunctional way and may find applications in integrated optical circuits or pocketable devices.

Dr. Yu Feilong and Dr. Chen Jin are the co-first authors of this paper, and Dr. Li Guanhai is the corresponding author. Profs. Chen Xiaoshuang and Lu Wei provided significant instructions on this work. + Udforsk yderligere

Cylindrical vector beam multiplexer/demultiplexer using off-axis polarization control