Spin-kontrollierte Erzeugung eines vollständigen Polarisationssatzes mit zufällig verschachtelten plasmonischen Metaoberflächen

Optische Metaoberflächen sind fein gearbeitete zweidimensionale künstliche Nanostrukturen, die aus sorgfältig entworfenen Anordnungen ultradünner künstlicher Atome bestehen. Diese Oberflächen verfügen über Fähigkeiten, die über die natürlicher Materialien hinausgehen, und ermöglichen eine multifunktionale Steuerung elektromagnetischer Wellen.

Durch die Gestaltung der Form, Größe, Rotation und Position dieser künstlichen Atome können optische Metaoberflächen elektromagnetische Wellen mit einer räumlichen Auflösung unterhalb der Wellenlänge präzise manipulieren und bieten so enorme potenzielle Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Photonik.

Unter den vielen Anwendungen wurde die Steuerung von Polarisationszuständen mithilfe optischer Metaoberflächen ausführlich untersucht. Die Entwicklung polarisationskodierter multifunktionaler Metaoberflächen stellt einen bedeutenden Fortschritt in der optischen Technologie dar und ermöglicht die Integration einer größeren Bandbreite von Funktionen in eine einzige Metaoberfläche.

Diese Integration der Polarisationskodierung wird durch innovative künstliche Atomdesigns und die geschickte Verflechtung verschiedener Metaoberflächenbereiche erreicht und läutet eine neue Ära in der Photonik ein. Metaoberflächen als Mehrzweckplattformen für verschiedene optische Anwendungen veranschaulichen den anhaltenden Fortschritt hin zu stärker integrierten und dynamisch steuerbaren optischen Komponenten.

Trotz erheblicher Fortschritte bei der Steuerung des Polarisationszustands mithilfe optischer Metaoberflächen sind die meisten aktuellen Metaoberflächen auf die Erzeugung einiger spezifischer Polarisationszustände beschränkt, die über eine begrenzte Anzahl von Kanälen verteilt sind.

Über Methoden zur kontrollierten Erzeugung eines vollständigen Satzes von Polarisationszuständen (z. B. links- und rechtshändig zirkular polarisiertes Licht und linear polarisiertes Licht in verschiedenen Ausrichtungen) über mehrere Kanäle hinweg sowie über Techniken zum Erreichen umschaltbarer Polarisationszustände innerhalb verschiedener Kanäle wurde bisher kaum berichtet.

Um diese Herausforderungen anzugehen, haben die Autoren eines Artikels veröffentlicht im Journal Optoelektronische Fortschritte schlug eine reflektierende plasmonische Gold-Silica-Gold-Metaoberfläche vor. Dieses innovative Design zeichnet sich durch sechs zufällig verschachtelte Metaoberflächenbereiche aus, von denen jeder in der Lage ist, unterschiedliche Polarisationszustände bei unterschiedlichen Reflexionswinkeln gleichzeitig auszugeben und zu sammeln.

Diese Entwurfsmethode ermöglicht eine multidirektionale Strahlsteuerung über alle Polarisationskanäle und ermöglicht Änderungen des Polarisationszustands in den Ausgangskanälen durch Umschalten des Spinzustands des einfallenden zirkular polarisierten Lichts.

Das Design umfasst eine nanoziegelförmige Halbwellenplatte und vier nanokreuzförmige Viertelwellenplatten. Die Halbwellenplatte kann linkszirkular polarisiertes Licht in rechtszirkular polarisiertes Licht umwandeln oder umgekehrt. Durch Drehen der Halbwellenplatte in 45°-Schritten wird ein geometrischer Phasengradient erzeugt, der die Reflexionswinkel von Licht mit demselben Polarisationszustand wie das einfallende zirkular polarisierte Licht trennt.

Die in bestimmten Winkeln gedrehten Viertelwellenplatten können einfallendes zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht in verschiedenen Winkeln umwandeln. Diese Platten bieten einen linearen Phasengradienten und wandeln zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht in den Winkeln 0°, 45°, 90° und 135° um, das dann in verschiedenen Winkeln reflektiert wird.

Durch die Integration dieser Nanoplatten und ihre Gestaltung mit unterschiedlichen Drehwinkeln kann die Metaoberfläche eine gleichzeitige Ausgabe eines vollständigen Satzes von Polarisationszuständen über mehrere Kanäle erreichen. Mithilfe der fortschrittlichen Mikro- und Nanofabrikations- und Charakterisierungsplattformen am Center for Nano Optics der University of Southern Denmark validierten die Forscher ihr Metaoberflächendesign experimentell.

Diese Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Polarisationsoptik dar und ebnet den Weg für die Entwicklung kompakter, effizienter und leistungsstarker optischer Geräte. Die einzigartigen Eigenschaften dieser Wellenplatten im Nanomaßstab eröffnen neue Möglichkeiten für Anwendungen von der Bildgebung und Sensorik bis hin zur Kommunikation und anderen fortschrittlichen optischen Technologien.

Die potenziellen Auswirkungen dieser Technologie sind enorm und versprechen eine rosige Zukunft für die Realisierung komplexer optischer Systeme, die dynamisch gesteuert werden können und so die Vielseitigkeit und Leistung optischer Komponenten in verschiedenen Disziplinen verbessern.