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研究人员首次使用超薄的二维结构层(称为超表面)作全息图,可以测量光的偏振度。新的超表面全息图可以用来作用于偏振测量的非常快速和紧凑的器件,用于光谱学、传感和通信应用。

研究人员使用一个超表面来产生两个重叠的全息图像,一个是左手圆偏振(lcp),另一个是右手圆偏振(rcp)。通过对两幅图像(最右边)的干涉分析,得到了入射光的lcp分量和rcl分量的幅度对比度和相位差,可以直识别光的偏振状态。

超表面是具有纳米级特征的光学元件,其总厚度小于人类头发的1/50。它们可以用标准的微电子造技术造,实现大规模生产,并且可以很容易地集成到晶圆级光学系统中。尽管有这些有希望的特性,但它们还没有在许多实际应用中得到应用。

在光学学会的高影响研究杂志Optica上,一个多机构组成的研究小组报告说,他们使用超表面全息图来有效、快速地测定近红外到可见光波段的偏振度。这项新的工作是朝着功能性的基于超表面的设备迈出的一步,以支持从电信到化学分析等一系列应用。

来自中国天津大学的研究小组组长Xueqian Zhang说:“由超表面成的全息图是产生亚波长分辨率的高质量图像的有效方法。我们的工作独特地将超表面全息图应用于偏振测量,这可以使相机大小的设备一步测量偏振,而无需移动部件。”

直测量极化

尽管太阳光和大多数家用光源发出的非偏振光在各个方向上振荡,但光学元件(如滤光片)可用于产生偏振光,该偏振光仅在单个平面上传播,通常是垂直或水平的。光谱仪等分析仪器可以测量光与材料相互作用后偏振度的变化,以确定其物理性质。不同的光偏振还可用于通过光纤发送多个电信应用信号。

传统的偏振测量方法往往需要多次测量、庞大的光学装置或高质量光学元件的精密调整来间确定偏振状态。在这项新的工作中,研究人员用一个超表面来直测定偏振度,方法是比较以直角偏振的光波的振幅和相位。

超表面产生两个重叠的全息图像,一个是左手圆极化(lcp),另一个是右手圆极化(rcp)。圆偏振光的特点是电场振荡平面在垂直于波的方向的平面上向左或向右旋转。

“重叠的图像可以简单而快速地用ccd相机拍摄,”Zhang说。

 “通过分析两幅全息图像的干涉,我们可以得到入射光束的lcp和rcp分量之间的振幅对比度和相位差,从而识别偏振状态。”

新技术的关键是一种被称为gerchberg-saxton的算法,它被广泛应用于全息研究中。研究人员发现如何修改该算法,使其能够用于识别重叠全息图像中入射光的lcp和rcp分量之间的相位差。

有效极化测量

研究人员展示了他们的新的超表面全息方法,利用它来测量已知偏振的光束的偏振态。测量的偏振态与已知的偏振态吻合良好,证实了该方法的有效性。在未来,超表面可以被整合到相机的感光区域中,成一个紧凑的偏振测量装置。

研究人员使用的超表面是基于Pancharatnam-Berry相位(也称为几何相位)方法,该方法具有相对相位响应,不会出现任何色散。这使得超表面全息图可以在很宽的波长范围内工作。

 “我们的方法可以扩展到许多需要偏振测量的潜在应用,如偏振光谱、传感和通信,偏振编码全息术也可用于安全信息传输,因为只有知道所需偏振状态的收器才能解码来自最终全息图像的信息。”

现在他们已经证了这一概念,研究人员计划下一步提高该方法的效率,并将其性能与用于测量极化的传统商用仪器进行比较。

原文来源:https://phys.org/news/2019-09-metasurface-holograms-fast-compact-polarization.html

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