Multifoki-Metallene für die Erkennung und Rekonstruktion von Spektren und Polarisationselliptizität

Als grundlegende Eigenschaften des Lichts enthalten Spektren und Polarisation wichtige Informationen über die Ausbreitung von Lichtwellen. Beispielsweise kann die spektrale Bildgebung die Materialzusammensetzung von Objekten widerspiegeln, während die polarisierte Bildgebung Informationen über die Textur der Oberfläche, die Lichtpolarisation und/oder die räumliche Verteilung der optischen Eigenschaften einer Szene enthält.

Aufgrund der entscheidenden Informationen, die Lichtwellenlänge und Polarisation liefern, sind multispektrale und polarisierte Bildgebungstechnologien von großem Interesse in verschiedenen Wissenschafts- und Technologiebereichen, einschließlich Archäologie, Biologie, Fernerkundung und Astronomie. Herkömmliche multispektrale und polarisationsbildgebende Geräte basieren auf Filtern und Polarisationsanalysatoren, die normalerweise mehrere Aufnahmen machen müssen, um gewünschte optische Informationen zu sammeln, und bestehen aus sperrigen Multi-Pass-Systemen oder mechanisch beweglichen Teilen und sind schwierig in kompakte und integrierte optische Systeme zu integrieren.

Es wurden Metaoberflächen demonstriert, die eine vollständige Kontrolle der Lichteigenschaften wie Phasen, Amplituden und Polarisationszustände erreichen. Als zweidimensionale optische Bauelemente, die aus Subwellenlängen-Nanostrukturen bestehen, eignen sich Metaoberflächen für den Entwurf integrierter Systeme. Heutzutage werden Metaoberflächen in vielen verschiedenen Arten von funktionalen optischen Geräten verwendet, wie z. B. optischen Displays, Orbital-Drehimpulsgeräten, Strahlteilern, Meta-Holographie-Elementen und Lichtfeld-Bildgebung.

Um integrierte und kompakte Designs zu realisieren, wurden Metaoberflächenelemente in Polarisations- und multispektralen optischen Systemen verwendet. Es fehlt jedoch an metallischen Geräten, die gleichzeitig sowohl spektral- als auch polarisationsaufgelöste Funktionalitäten erreichen können, während sie eine gute Abbildungsleistung mit einer großen numerischen Apertur (NA) beibehalten. Auf der technischen Seite, obwohl mindestens drei Projektionen erforderlich sind, um den Polarisationszustand zu bestimmen, kann die Länge der Poincaré-Sphäre (auch als Polarisationselliptizität ausgedrückt) auch eine Fülle von Informationen der Szene widerspiegeln.

Die Forschungsgruppen von Prof. Wei Xiong, Prof. Jinsong Xia und Prof. Hui Gao von der Huazhong University of Science and Technology schlugen eine Spektren- und Polarisations-Elliptizitäts-aufgelöste Multi-Foci-Metalens (SPMM)-Methodik vor, um die Spektren- und Polarisations-Elliptizität zu realisieren hochauflösende Bildgebung, ohne dass bewegliche Teile oder sperrige Spektral- und Polarisationsoptiken erforderlich sind. Ihre Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht Optoelektronische Wissenschaft.

Im Gegensatz zu zuvor demonstrierten gängigen multispektralen oder polarisationsbildgebenden Systemen kann das SPMM die gewünschten optischen Informationen aufgrund seiner zwölf spektral- und polarisationsabhängigen Bilder an verschiedenen Orten mit nur einer einzigen Aufnahme erfassen, was den Prozess des Sammelns optischer Informationen vereinfacht. Bei diesem SPMM-Design können die Positionen und Intensitäten von Brennpunkten/Bildern auf der Fokus-/Abbildungsebene geändert werden, indem die Polarisationselliptizität und/oder Spektren einfallender Lichtstrahlen abgestimmt werden.

Daher besitzt die so entwickelte SPMM-Vorrichtung sowohl Detektions- als auch Rekonstruktionsfähigkeiten einer spezifischen Polarisationselliptizität und diskreter Wellenlängen (oder Spektralbänder), während normale Funktionen von Metallen wie Fokussierung und Abbildung beibehalten werden. Und das SPMM verfügt über ein Design mit gemeinsamer Apertur, das aufgrund der größeren NA eine überlegene Abbildungsleistung besitzt als die des wie berichteten Micro-Metalens-Array-Designs mit der gleichen Herstellungsgröße und Brennweite. Experimentelle Demonstrationen des SPMM werden sowohl mit kohärentem als auch mit inkohärentem Licht durchgeführt, um seine allgemeine Anwendbarkeit zu beweisen.

Das Licht von abgebildeten Objekten enthält reichhaltige Informationen im Zusammenhang mit mehreren Wellenlängen und der Polarisationselliptizität, die bei herkömmlichen intensitätsbasierten Bildgebungsverfahren normalerweise verloren gehen oder ignoriert werden. Um dieses Problem anzugehen, erzeugt das SPMM zwölf Brennpunkte oder Bilder an unterschiedlichen Positionen, die sechs Spektrenbändern und zwei orthogonalen Zirkularpolarisationszuständen entsprechen. Darüber hinaus können die Spektren und die Polarisationselliptizität (linear, elliptisch oder kreisförmig) in Bezug auf bestimmte Objektbereiche aufgelöst und rekonstruiert werden, indem die Fokussierungs-/Abbildungspositionen und die entsprechenden relativen Intensitäten identifiziert werden.

Das Design und der physikalische Mechanismus des SPMM basieren auf den Prinzipien der geometrischen Phase und der Holographie. Um eine transversal dispersive Metalllinse zu realisieren, können die Phasenverteilungen mehrerer Linsen, die unterschiedliche Arbeitswellenlängen mit entsprechenden Fokussen an unterschiedlichen Positionen besitzen, durch das Holographieprinzip zu einem einzigen Metaoberflächenelement codiert werden. Das polarisationsabhängige Metallendesign kann erhalten werden, indem diese beiden Hadamard-Produktergebnisse zusammenaddiert werden. Die Fokuslage dieser Metalllinse kann umgeschaltet werden, indem die Polarisation des einfallenden Lichtstrahls geändert wird. Daher kann ein SPMM mit zwölf Brennpunkten erhalten werden, indem zwei transversal dispersive Metallenses zufällig als ein einziges Metaoberflächenelement kombiniert werden, wie in Abb. 1 gezeigt.

Verglichen mit den bestehenden speziellen Metaoberflächen-Spektren- oder Polarisationserfassungselementen, die auf einem Mikrometall-Array basieren, hat sich diese Arbeit durch die Demonstration der SPMM-Bildgebung sowohl mit gewöhnlichen kohärenten (Abb. 2) als auch mit inkohärenten Lichtquellen (Abb. 3) gezeigt sein praktisches Potenzial für den Bau ultrakompakter multispektraler und polarisierter Bildgebungsgeräte ohne die Notwendigkeit eines Multi-Pass-Designs mit komplizierten Spektralfiltern oder mechanisch beweglichen Teilen. Darüber hinaus kann dieses SPMM-Konzept auf die Rekonstruktion beliebiger Punkte mit Längen- und Breitengrad auf der Poincare-Kugel erweitert werden und eine viel feinere Aufteilung der Spektralbänder durch verbessertes Metalldesign und Nanofabrikationstechniken erreichen.