Une nouvelle voie pour les transformations de polarisation universelles de champs de polarisation spatialement variables

La polarisation décrit l’orientation des oscillations d’une onde lumineuse et joue un rôle essentiel dans diverses applications optiques, depuis l’amélioration de la visibilité des lunettes de soleil et des objectifs d’appareil photo jusqu’à la facilitation des systèmes de communication optique et d’imagerie avancés. Comprendre et maîtriser la polarisation de la lumière est essentiel pour faire progresser de nombreuses technologies optiques. Cependant, la manipulation de la distribution spatiale de l’état de polarisation d’un champ optique présente des obstacles importants, en particulier lorsque l’on souhaite synthétiser des champs avec des états de polarisation non uniformes.

Les dispositifs actuels de modulation de polarisation, tels que les polariseurs, les lames d’onde, les modulateurs spatiaux de lumière et divers types de métasurfaces, sont tous confinés à une gamme limitée de matrices de diffusion de polarisation entre leurs ouvertures d’entrée et de sortie. De plus, ces transformations de polarisation mises en œuvre par les dispositifs existants ne sont pas universelles et ne fonctionnent que lorsque les états de polarisation d’entrée sont prédéfinis, ce qui les rend inefficaces pour les champs de polarisation imprévisibles variant spatialement à l’entrée du dispositif.

Une équipe de recherche de l’UCLA a présenté la conception d’un réseau diffractif de transformateur de polarisation, ouvrant une nouvelle voie pour les transformations de polarisation universelles de champs de polarisation spatialement variables. Leurs conclusions, rapportées dans la revue Matériaux avancésa démontré un réseau diffractif capable de synthétiser de manière entièrement optique un large ensemble de matrices de diffusion de polarisation à valeurs complexes et arbitrairement sélectionnées entre les états de polarisation à différents emplacements dans ses champs de vision d’entrée et de sortie.

Formé grâce à un apprentissage profond supervisé, ce transformateur de polarisation diffractif est composé d’une série de couches diffractives isotropes, chacune codée spatialement avec des milliers de caractéristiques diffractives au niveau sub-longueur d’onde qui ont des coefficients de transmission optimisables. Entre ces couches diffractives, des réseaux 2D de polariseurs linéaires sont également utilisés pour introduire une anisotropie de polarisation dans le volume du processeur diffractif, où les polariseurs linéaires sont orientés selon différents angles et restent fixes.

Sur la base de cette architecture optique unique, les chercheurs de l’UCLA ont montré qu’un seul transformateur de polarisation diffractive pouvait mettre en œuvre 10 000 matrices de diffusion de polarisation codées spatialement différentes dans un volume de processeur diffractif compact.

Dirigée par le Dr Aydogan Ozcan, professeur chancelier au département de génie électrique et informatique de l’UCLA et directeur associé du California Nano Systems Institute (CNSI), l’équipe de recherche a également confirmé la faisabilité de ce transformateur de polarisation diffractif par le biais d’expériences.

À l’aide de polariseurs à grille métallique fabriqués par photolithographie et de couches diffractives imprimées en 3D, l’équipe de l’UCLA a construit une conception de validation de principe capable d’effectuer de manière entièrement optique une opération de permutation de polarisation définie par l’utilisateur dans la partie térahertz du spectre électromagnétique.

Au cours de leur validation expérimentale, le transformateur de polarisation diffractif fabriqué a montré la capacité de mettre en œuvre simultanément diverses matrices de diffusion de polarisation codées spatialement, naviguant efficacement entre les états de polarisation à l’entrée et les états de polarisation spatialement variables souhaités à la sortie. Les champs de sortie mesurés correspondaient bien aux simulations numériques et aux objectifs de conception, soulignant le succès des transformations de polarisation impossibles à obtenir avec les techniques antérieures.

À l’avenir, l’équipe de l’UCLA prévoit d’améliorer ses conceptions pour fonctionner sous éclairage à large bande pour le traitement simultané de l’amplitude, de la phase, de la polarisation et des caractéristiques spectrales codées dans les champs optiques. De tels transformateurs de polarisation diffractifs peuvent être utilisés pour concevoir des systèmes de vision industrielle intelligents améliorés par des fonctionnalités de détection et de classification d’objets sensibles à la polarisation, qui pourraient trouver diverses applications, par exemple, dans la télédétection, la sécurité/défense, l’inspection des matériaux et l’imagerie médicale.