光子技術研究院海外英才創新團隊在矢量超表面研究方向取得重要進展

發布單位:機構人員彙總 [2021-02-03 00:00:00] 打印此信息

近日,光子技術研究院海外英才創新團隊提出了一種基于任意偏振二向色性的任意偏振態起偏器件,該器件工作時選擇性地允許特定的偏振態通過並轉化爲手性相反的偏振態,其正交的偏振態將被完全地阻止透過。該器件具有完美的工作性能,仿真模擬上任意偏振態二向色性參數可達到100%,實驗上也獲得了高于90%的結果。由于該器件具有優異的二向色性性能,使得出射光的偏振不受入射光偏振態的限制,賦予該器件工作在非偏振光下的能力。

相关研究成果以“Arbitrary Polarization Conversion Dichroism Metasurfaces for All-in-One Full Poincaré Sphere Polarizers”为题发表在《Light: Science & Applications》(IF=13.78)。光子技术研究院博士生王帅、副教授邓子岚以及哈尔滨工业大学(深圳)博士生王雨杰为文章的共同第一作者,通讯作者为邓子岚副教授、肖淑敏教授以及李向平教授,暨南大學为第一单位。

研究背景

偏振作爲光場的重要性質之一,在光與物質相互作用中扮演者重要的角色,對偏振的調制在成像、數據存儲、光傳感和光通信等領域有著重要的應用。線偏振片是一種可以過濾入射光中的垂直偏振片光軸振動分量的光學器件,其在偏振産生和操控領域具有重要的作用。然而對于位于龐加萊球上的任意偏振態的産生,通常需要串聯線偏振片和波片等多個偏振器件,最終導致任意偏振態産生器件體積較大,偏離了集成光學中小尺寸器件的設計目標。在光學超構表面的研究中,超構表面對散射光波偏振的調制通常是基于各向異性結構對偏振態的響應,將特定的入射光偏振光分解爲正交的線偏振態,正交的線偏振態通過各向異性結構之後攜帶了不同的延遲相位,疊加爲其他的偏振態。調整各項異性納米結構參數可以對正交線偏振光施加不同的振幅與相位,進而對偏振態進行調制。基于該方法産生的偏振態受到入射光偏振態的強烈影響,導致該方法難以工作在非偏振光下。基于二向色性制作的偏振片可以克服上述超構表面産生的偏振態對入射偏振態的依賴。

近些年來,具有圓偏振二向色性的手性結構被陸續提出,例如金屬螺旋線的3D結構以及魚狀、非對稱分離環、L型和Z型的面內手性結構。不同于3D結構的圓偏振態二向色性,平面手性結構的圓偏振態二向色性表現爲選擇性地允許一種圓偏振態通過並且轉化爲手性相反的圓偏振態,而其正交圓偏振態被阻止透過,該現象被稱爲圓偏振轉化二向色性,賦予了平面手性結構作爲圓偏振態起偏器件的潛力。但是偏振態中更一般情況的橢圓偏振起偏器件依然空缺,如何設計一種不受入射光偏振影響的任意橢偏態起偏器件成爲了一個亟待解決的問題。

創新研究

在文章中,研究者開發了具有任意橢偏態二向色性的雙原子超構表面,該超構表面産生的偏振態不受入射光偏振態影響,甚至可以工作在非偏振光下。該工作以平面結構的瓊斯矩陣出發,利用坐標系變換嚴格地推導出任意偏振態二向色性的瓊斯矩陣以及對應的超構表面的雙原子排布方式,如圖1a所示,通過設置雙原子納米柱的結構參數以及面內轉角可以調節超構表面的瓊斯矩陣中的元素,瓊斯矩陣是表征入射光偏振態在與超構表面相互作用時偏振轉化與透射情況的一種方式。針對位于龐加萊球上的紅星和藍星表示的一對正交入射偏振態(α和β)(圖1b),分別用紅色和藍色橢圓箭頭表示,通過合適地選擇結構參數,可以讓偏振態α透過,並轉化爲其手性相反的偏振態,其位于在龐加萊球上的紅點α*,與入射光偏振態α關于赤道面對稱,由紅色虛線箭頭所示。然而,對于入射偏振態β,超構表面將完全阻止其透過。

图1 a基于任意椭偏态二向色性超构表面的全庞加莱球起偏器工作示意图, b调控的偏振态在庞加莱球上偏振态的分布图,c描述偏振转化情况的琼斯矩阵中各个分量与二向色性参量谱线, d不同入射光照射下出射光偏振态情况

琼斯矩阵中用于表示偏振转化和透射情况各个元素分量如曲线图1c所示,可以发现偏振态α高效率地转化为其手性相反的偏振态α*,而其余三个分量被完全抑制。此外,偏振态α和β的透过率之差与之和的比例定义为偏振二向色性(PD)参量,即PD = (Tα-Tβ)/(Tα+Tβ),工作在设计波长633nm时,PD参量接近100%,这表明所设计的超构表面具有完美的工作性能,并且可以被用作为产生特定偏振态的起偏器件。在不同偏振照射下的具体情况如图1d所示,红色箭头表示入射光的偏振态,蓝色箭头表示透射光的偏振态,柱状图表示相应的透射率,改变入射光的偏振态,透射率存在变化,但透射光的偏振态保持不变,这表明透射光的偏振态与入射偏振态无关。透射率随波长的变化是由于入射光在偏振态α上的分量变化导致。

圖2a實驗光路圖,b-d橢圓偏振態、線偏振態及圓偏振態二向色性的雙原子超構表面工作在非偏振照射光下的出射光偏振情況

在实验上采取了LED发光二极管作为非偏振态的光源,利用LED发光二极管照射所设计的双原子超构表面,利用1/4 波片和线偏振片的组合对出射光的斯托克斯参量进行测量,进而得到出射光的偏振态度(DOP)与偏振态情况,实验光路图如2a所示。LED发光二极管光源分别照射椭圆偏振态、线偏振态以及圆偏振态二向色性的双原子超构表面时,出射光的偏振度谱线(DOP)分别由图2b-d表示。在设计波长633 nm处出射光偏振态的模拟和实验结果分别由绿色和红色箭头表示,分别为椭圆偏振态、线偏振态以及近似圆偏振态。该结果表明,基于二向色性的双原子超构表面可以在非偏振光照射下产生任意的偏振态,包括椭圆偏振态、圆偏振态以及线偏振态。

應用與展望

該工作的設計方案爲偏振超構表面的設計與研發提供了一種便捷的平台。不受入射光偏振影響的任意偏振起偏器件有望拓展並推動新型納米光子器件的應用前景。

邓子岚博士主要从事多维度超表面矢量全息光场调控方面的研究工作。以第一/通讯作者(含共同)在Light:Science& Applications, Nano Letters,AdvancedFunctionalMaterials,Advanced Optical Materials,PhotonicsResearch,Nanoscale等期刊上发表SCI论文20余篇,发表英文专著1部,获得授权发明专利2项。入选“暨南双百英才计划”暨南杰青第二层次。主持国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目、广东省自然科学基金面上项目等科研项目5项。

原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41377-021-00468-y

(光子技術研究院)

責編:李偉苗