Résolution simultanée de la longueur d’onde et de l’état de polarisation

L’infrarouge à longueur d’onde moyenne (MWIR) est un régime unique avec diverses applications potentielles dans les détections d’empreintes digitales. C’est également l’une des trois fenêtres de transmission atmosphérique qui présente des possibilités importantes en matière de vision nocturne à faible niveau de luminosité et de communications en espace libre. La détection précise de photons inconnus dans cette bande joue un rôle indispensable dans les applications aéronautiques et astronautiques. Cependant, avec la configuration de mesure encombrante conventionnelle avec de nombreux éléments optiques en cascade ou dispositifs basés sur la métasurface, ils sont limités par la dispersion longitudinale restreinte et le manque de résolution simultanée de la longueur d’onde et de l’état de polarisation.

Dans un nouvel article publié dans Lumière : science et applications, une équipe de scientifiques, dirigée par le Dr Guanhai Li du laboratoire clé d’État de physique infrarouge, Institut de physique technique de Shanghai, Chine, et ses collègues ont proposé une règle à calcul photonique polyvalente basée sur une métasurface entièrement en silicium qui permet le reconstruction simultanée de la fréquence et de l’état de polarisation des photons incidents. La métasurface exploite à la fois les phases de focalisation achromatique et d’évolution azimutale avec des charges topologiques +1 et -1 pour assurer les distributions d’intensité annulaires confocales dans le champ lointain.

Inspirée des règles à calcul conventionnelles, qui intègrent les règles de calcul dans les évolutions inhérentes des paramètres physiques, l’équipe présente la règle à calcul photonique et démontre le prototype pour caractériser la fréquence et l’état de polarisation des photons incidents. Avec une conception de métasurface entièrement en silicium, différentes longueurs d’onde et états de polarisation correspondent à différents profils de phase, ce qui entraîne des taches de focalisation résolues en angle dans le champ lointain. Deux groupes distincts de méta-atomes sont conçus pour avoir des porteurs de faisceau vortex et des dispersions de phase différents. Le motif d’interférence résolu en angle dans le champ lointain de deux groupes de méta-atomes fournit une récupération facile d’accès de la longueur d’onde et de l’état de polarisation. En tant qu’analogues, ils migrent avec succès la logique arithmétique des phases dispersives vers la variation inhérente des dimensions photoniques-fréquence et polarisation avec la métasurface tout silicium.

L’équipe de recherche a sélectionné les méta-atomes avec différentes réponses de polarisation et les a arrangés avec un multiplexage spatial pour construire davantage la cartographie secondaire des informations inconnues de polarisation des photons dans le plan focal. Avec cette manipulation, ils ont réussi à résoudre simultanément la fréquence et l’état de polarisation du photon incident inconnu. Comme le montre la figure 2, les angles de rotation des anneaux intérieur et extérieur résolvent la fréquence du photon incident, tandis que les informations de polarisation du photon incident peuvent être directement obtenues à partir de la position des points de focalisation. L’anneau intérieur correspond à l’état de polarisation circulaire à gauche et l’anneau extérieur à l’état de polarisation circulaire à droite.

Enfin, grâce à une analyse théorique, une simulation numérique et des mesures expérimentales, l’équipe de recherche a confirmé que la règle à calcul photonique basée sur la métasurface peut efficacement surmonter la limitation des dispositifs traditionnels de matériaux en vrac dans l’espace de travail, en particulier la distance axiale, et a réalisé un nouveau schéma d’ultra -caractérisation compacte et hautement intégrée de la longueur d’onde et de l’état de polarisation des photons inconnus. Ce travail fournit un analogue de la règle à calcul classique pour caractériser de manière flexible les photons de manière ultra-compacte et multifonctionnelle et peut trouver des applications dans les circuits optiques intégrés ou les dispositifs de poche.

Le Dr Yu Feilong et le Dr Chen Jin sont les co-premiers auteurs de cet article, et le Dr Li Guanhai est l’auteur correspondant. profs. Chen Xiaoshuang et Lu Wei ont fourni des instructions importantes sur ce travail.