Während herkömmliche Fotodetektoren nur die Lichtintensität messen können, enthält das Lichtfeld viel reichhaltigere Informationen. Diese Informationen umfassen Phase, Polarisation und Spektrum, sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Messung mehrdimensionaler Lichtfeldinformationen kann in verschiedenen Bereichen Anwendung finden. Polarisationsmessungen können beispielsweise die Materialzusammensetzung und Oberflächenbeschaffenheit von Objekten aufzeigen. Die Spektralanalyse kann für chemische Untersuchungen und die auf Wellenlängenteilung basierende Telekommunikation hilfreich sein.
Herkömmliche Polarimeter und Spektrometer sind oft sperrig, was ihre Anwendung in miniaturisierten Plattformen behindert. Polarimeter und Spektrometer mit Amplitudenteilung verwenden Polarisationsstrahlteiler und dispersive Elemente. Diese dienen dazu, Licht mit unterschiedlicher Polarisation und Wellenlänge räumlich zu trennen und zu unterscheiden.
Alternativ nutzen zeitgeteilte Polarimeter und Spektrometer abstimmbare Polarisations- und Wellenlängenfilter, um nacheinander die Lichtintensität mit unterschiedlicher Polarisation und spektralen Komponenten zu messen. Durch das Multiplexen von Polarisations- und Spektraldetektionsmechanismen wurden kürzlich zusammengesetzte Systeme entwickelt, die gleichzeitig die Polarisation und das Spektrum von Licht messen können. Das Multiplexen führt jedoch unvermeidlich zu einem weiter erhöhten Systemformfaktor und einer weiter erhöhten Komplexität.
In einem neuen Artikel, erschienen in eLightein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Yuanmu Yang vom State Key Laboratory of Precision Measurement Technology and Instruments, Department of Precision Instruments, Tsinghua University, hat ein Nahinfrarot-Spektropolarimeter entwickelt, das auf einer elektrisch abstimmbaren Flüssigkristall-Metaoberfläche basiert.
Das Papier mit dem Titel „Computational spectropolarimetry with a tunable liquid crystal metasurface“ zeigte, wie simultane Polarisations- und Spektralmessungen durch eine abstimmbare Metaoberfläche mit geführten Modusresonanzen mit hohem Qualitätsfaktor in Kombination mit einem rechnergestützten Rekonstruktionsalgorithmus erreicht werden.
Die Metaoberfläche ist eine neu entstehende Klasse planarer diffraktiver optischer Elemente. Seine Designflexibilität hat neue Wege für die Manipulation des vektoriellen Lichtfelds beschritten. Metaoberflächenbasierte Polarimeter und Spektrometer wurden in den letzten Jahren entwickelt. Rechnerische Polarimeter und Spektrometer wurden ebenfalls demonstriert. Diese Geräte haben gezeigt, wie die Polarisation oder das Spektrum des einfallenden Lichts unter Verwendung einer abstimmbaren Graphen-integrierten Metaoberfläche oder eines Metaoberflächen-Arrays codiert werden kann.
Das gleichzeitige Multiplexen und Rekonstruieren mehrdimensionaler Lichtfeldinformationen bleibt eine Herausforderung. Metaoberflächen-basierte Spektropolarimetrie wurde demonstriert, indem das einfallende Licht mit unterschiedlichen Polarisationskomponenten und Wellenlängen räumlich aufgeteilt wurde. Ein derartiger Ansatz erfordert jedoch ein Detektorarray zur Polarisations- und Spektraldetektion an einem einzigen räumlichen Ort. Es verhindert seine Verwendung für die spektropolarimetrische Bildgebung.
Die Forscher schlugen ein Spektropolarimeter vor und demonstrierten es experimentell, das gleichzeitig die Polarisation und das Spektrum von Licht im nahen Infrarot misst. Die Kernhardware des Systems ist eine elektrisch abstimmbare Flüssigkristall-eingebettete Silizium-Metaoberfläche. Die Metaoberfläche ist so zugeschnitten, dass sie mehrere geführte Modusresonanzen mit hohem Qualitätsfaktor unterstützt.
Die Metaoberfläche hat reichhaltige und anisotrope Spektralmerkmale, die durch Anlegen unterschiedlicher Vorspannungen weitgehend abgestimmt werden können. Das System kann die vollständigen Stokes-Parameter und das Spektrum des einfallenden Lichts aus der reflektierten Lichtintensität rekonstruieren, die von einem Einzelpixel-Fotodetektor aufgezeichnet wird. Die Herstellung der Flüssigkristall-Metaoberfläche ist vollständig kompatibel mit dem Herstellungsprozess von komplementären Metalloxid-Halbleitern (CMOS) und Flüssigkristallen auf Silizium (LCoS). Das bedeutet, dass das System kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden kann.
Die Demonstration eines abstimmbaren metaoberflächenbasierten mehrdimensionalen Lichtfeldcodierers ermöglicht die gleichzeitige Messung der Polarisation und des Spektrums von Nahinfrarotlicht. Die Metaoberfläche codiert die Polarisations- und Spektralinformationen unter Verwendung ihrer anisotropen High-Q-geführten Modusresonanzen. Obwohl die Flüssigkristall-Metaoberfläche derzeit im Reflexionsmodus arbeitet, kann man auch eine transmissive Flüssigkristall-Metaoberfläche entwerfen, um eine kompaktere Integration mit dem Fotodetektor zu ermöglichen.
Wenn sie mit einem geeigneten Detektorarray integriert ist, kann die Flüssigkristall-Metaoberfläche zur spektropolarimetrischen Bildgebung verwendet werden, ohne die räumliche Auflösung zu opfern. Die vorgeschlagene Flüssigkristall-Metaoberfläche kann in vielen Anwendungen verwendet werden, die Polarisations- und Spektralmessungen erfordern, wie beispielsweise in der biomedizinischen Bildgebung, Fernerkundung und optischen Kommunikation. Eine solche Strategie kann auch erweitert werden, um kompakte Systeme zu konstruieren, die zusätzliche Lichtfeldinformationen messen können, wie etwa die Tiefe einer Zielszene oder die Wellenfront des einfallenden Lichts.
Mehr Informationen:
Yibo Ni et al, Computerspektropolarimetrie mit einer abstimmbaren Flüssigkristall-Metaoberfläche, eLight (2022). DOI: 10.1186/s43593-022-00032-0