案例展示

全介质超构表面偏振调控的原理和新应用

发布日期:2020-08-08 12:15

  1. 总结介质超构表面的偏振调控机理,引出超构表面的“偏振+”功能框架,并总结了实现该框架的各类设计原理和方案。

  2. 总结了基于“偏振+”框架下超构表面偏振相关的一些新兴应用,包括偏振转换、偏振分束、透镜、偏振复用全息、纳米印刷、多功能器件、偏振检测、矢量涡旋光生成、量子光学。

  超构表面是由特定设计的亚波长单元组成的二维平面元件,它为设计超紧凑型光学元件提供了一种新的方案,在光学系统微型化中具有很大潜力。超构表面通过调整单元的形状、大小、方向和位置,在界面处引入相位梯度,可以任意地控制光波前的形状。然而,等离子体型超构表面固有的欧姆损耗严重阻碍了其广泛的应用。为了得到高效率的器件,人们提出了由高折射率全介质天线组成的超构表面,考虑材料的消光系数,针对不同的光波长应选择不同的材料,在红外甚至太赫兹波段,Si是一种优良的介质材料。在可见光波段,可选择金属氧化物或氮化物如TiO2、Ta2O5、HfO2、Si3N4等。

  除了相位调控,超构表面还能够调控光波的各种参数包括光振幅、频率、偏振,从而具有丰富的功能,广泛应用于完美吸收器、结构色、彩色全息、消色差元件、非线性光学等,这引起了科学界的广泛兴趣。这其中,与传统光学元件相比,亚波长尺度像素的偏振调控是超构表面的一种独特能力。结合相位和振幅的调控则可以实现更多的功能。近些年来,人们为充分利用超构表面的这一能力做了大量工作,展示了各种新功能和新应用。

  光是一种横波,即光场矢量的振动方向垂直于光波的传播方向。而光场的振动方向往往相对于光波的传播方向是不对称的,这称为光波的偏振性。偏振通常分解成x与y方向的电场分量,并用琼斯矢量表示,从而进行计算。控制偏振就是控制两个方向上电场的振幅和相位,因此需要在两个方向上具有不同的材料性质,自然材料中很少有能在两个正交方向上实现超过10%的折射率差异,而各向异性的介质纳米结构通过结构参数调控可以为光的正交偏振态之间提供高的等效折射率对比度,从而为偏振调控提供了一个理想的平台。作为双折射元件,超构表面具有特定设计的单元结构可用于实现亚波长像素的偏振控制,如偏振转换、偏振复用甚至复杂的矢量光束生成。在此基础上,结合光相位和振幅的调节,可以实现更复杂的功能。如图(1)所示,研究团队将目前的研究分为纯偏振调控、偏振和相位联合调控、偏振和振幅联合调控以及偏振、相位和振幅联合调控,并提出了“偏振+”的概念。近些年,在此框架基础上许多功能和应用被开发出来。由于偏振可以反映出丰富的有用信息,例如:材料特性、表面形貌信息、生物组织特性、光学活性和量子信息。因此具有强大的偏振调控能力的超构表面将应用于遥感、生物学、医学、显微镜、光通信和量子科学等多个领域,其多参数调控有利于实现光学系统的小型化。

  介质超构表面最基本的偏振调控功能就是偏振状态的产生和转换,与传统的偏振片和波片相对应。类似于双折射晶体,亚波长介质各向异性结构可以沿两个正交轴产生不同的相移,由于介质材料与空气折射率相差较大,相同厚度下产生的相移也会相差较大,单元结构几何参数的自由调整可以控制两电场分量之间的相位差,实现具有任意相位延迟的超薄波片。如图(2)所示,通过双折射结构的介质超构表面,可以实现偏振的旋转和从线偏振到圆偏振的转换。

  图(2)半波片和四分之一波片的示意图。下边图片对应了不同波长的光在两个方向上产生的相位差。

  偏振分束器可以将一束入射光分成两束正交的偏振光,可以应用于光纤通信和偏振成像等领域。束元件由于体积大,阻碍了它在集成光学系统中的应用,介质超构表面可以实现偏振敏感的相位梯度,将偏振与相位同时调控,k8对不同偏振的光施加不同的相移,从而偏转不同的角度。利用几何相位手性共轭的特点,很容易将光的左圆偏振和右圆偏振分量分开,如图(3)所示,通过合理地设计纳米结构的角度,利用几何相位手性共轭从而将入射光束分解成两个正交圆偏振光束。

  透镜广泛地应用于望远镜、显微镜、相机等成像领域或者用来聚焦光束的光刻和切割等加工领域。传统透镜的原理决定了它曲面的形状,因此通常较难加工且功能单一。超构透镜是一种使用半导体加工技术制造的平面光学元件,未来有希望代替传统透镜。然而动态地调整透镜的参数如焦距仍然比较困难。而利用偏振多通道的策略,可以实现透镜在横向、轴向甚至三维的多焦点聚焦,并可实现焦点的偏振切换。图(4)所示,采用了偏振三通道,将传播相位与几何相位结合起来,在纵向上实现了三个可变的焦距。

  图(4)三焦点透镜原理图,左下角插图为透镜单元结构排布示意图,为无转角的结构和有转角的结构组合而成。

  另一方面,实现超衍射聚焦一直是透镜追求的目标,利用矢量结构光束聚焦是其中一种策略。图(5)利用了超构表面偏振可控的优势,将入射的线偏振光转换成径向矢量光同时添加聚焦相位,经实验验证,这样的偏振分布得到焦点更小,此外,此超构透镜过滤了中心的低频部分,增加了优化相位进一步缩小了焦斑。

  全息术自发明以来,已成为塑造波前、记录和重建真实或虚拟物体的重要技术。传统的光学衍射元件由于没有偏振敏感性,限制了各种全息复用的可能,而偏振超构表面可以偏振和相位的联合调控,实现多通道全息显示。因此,学者们提出了不同的偏振复用全息方案,扩展到相位全息图、动态全息图、矢量全息图和彩色全息图等。图(6)显示了一种彩色全息的方案,通过充分利用琼斯矩阵的自由度,将三个独立相位轮廓编码到三个偏振通道中,再将三原色信息耦合到三通道中,在可见光范围内实现了几乎零串扰地高质量高效率的彩色全息图。

  图(6)偏振三通道彩色全息示意图,通过选择入射光和出射光的偏振状态形成偏振三通道(即x偏振入射x偏振出射、x偏振入射y偏振出射、y偏振入射y偏振出射),三个通道对应三种波长,图中双向箭头代表偏振状态,右图为超构表面在电子扫描显微镜下观察到的图片。

  由于物体反射光或透射光的偏振包含了丰富的信息,因此在薄膜厚度测量、遥感、机器视觉等领域,偏振检测具有重要的应用价值。超构表面的偏振调控特性可将传统复杂的偏振检测光学系统变换成一个超紧凑的元件,集成多功能无需多次测量。如图(7)所示,同样由双折射介质超构表面设计,将超构表面的一个像素划分成三个区域,分别将三对正交的偏振聚焦到六个不同的位置上,从而可以获得偏振光分量的光强信息,计算出四个斯托克斯参量,从而确定偏振特性,完成偏振的测量。

  矢量涡旋光是一种奇异光束,由于具有特殊的性质所以有着特殊的应用,如粒子调控,光学成像,光通信量子光学等领域。如名字说的一样,这种光束既是具有奇异偏振分布的矢量光也是具有奇异相位分布的涡旋光。超构表面为平面波施加螺旋相位即可生成涡旋光,利用PB相位使设计变得简单,只需要利用半波片的旋转角度就可以控制相位,与此同时也会影响偏振的分布,从而生成矢量涡旋光。图(8)显示了超构表面生成矢量涡旋光的示意图,圆偏振光经过第一个超构表面添加了涡旋相位,再经过四分之一波片变成线偏振光,最后经过第二个超构表面变成矢量涡旋光。体现了超构表面的偏振和相位联合控制的能力。

  图(8)矢量涡旋光的生成示意图,MS1和MS2表示两个超构表面,QWP表示四分之一波片。下面四个插图对应不同光束截面的偏振和相位分布。

  利用几何相位,偏振超构表面将自旋角动量和轨道角动量更好地联系起来,在量子光学中也得到了应用。图(9)证明了介质超构表面可以对光子自旋和轨道角动量的产生量子纠缠。这也是通过使用基于硅的几何相位超构表面来实现的。虽然原理相对简单,但对产生和调控纠缠光子态开辟了新的途径。利用偏振和相位同时控制的偏振复用能力,还可以实现对多个量子态的调控。

  纳米印刷是近年来一项基于纳米结构的振幅调控的新兴技术。可实现超高分辨率化学稳定的图像显示,包括单色显示和彩色显示。然而,纳米印刷通常是基于纳米结构的共振来实现波长选择性和彩色图像的显示。偏振和振幅的同时调控为纳米印刷设计提供了一种新的方式。图(10)显示了一种高保真灰度图像显示方法,通过优化双折射单元尺寸,将结构设计成反射模式下的偏振器,在两个方向上形成不同的反射率,再结合马吕斯定律,通过合理地设计结构旋转角,从而控制每个像素的振幅,实现高清晰度的连续灰度图像。

  图(10)生成灰度图像示意图,左上角为理论与仿真得到的方向角与光强的关系,右下角为局部的纳米结构与对应的振幅和偏振分布。

  传统的折射或衍射元件和一般的超构表面只为单一的功能设计,而超构表面偏振复用的能力和偏振、相位和振幅的联合调控的能力让实现一个超紧凑集成不同功能的设备成为可能。图(11)显示了一种具有单色灰度纳米印刷和远场全息功能的超构表面。在设计中通过控制结构的双折射程度和旋转角,将几何相位与传播相位结合起来。这样入射圆偏振光就可以转换成任何偏振状态。由于采用了两个正交的偏振滤波器,振幅可以根据偏振性质得到连续的控制,而相位是传播相位和几何相位的叠加。

  图(11)多功能纳米印刷和全息复用示意图,左上角显示振幅与相位由结构的双折射程度和旋转角决定。右上角显示超构表面的偏振控制能力。下边一行是超构表面的理论结果和实验结果。

  以往的矢量涡旋光的环形强度往往取决于拓扑荷数而无法生成强度均匀的光环。图(12)显示了一种生成完美矢量涡旋光束的单层超构表面。该超构表面每个像素单元由两个相同的纳米结构组成,具有不同的位置和旋转角。因此,在这个设计中有四个参数可以被调控,重要的是,这四个参数足以实现光的振幅、相位、偏振参数的完全控制,并且用遗传算法可以根据需要的四个目标光场参数求解出四个几何参数。实验通过超构表面产生了完美的矢量涡旋光束,证实了超构表面可以实现独立和任意控制光的振幅、相位和偏振。

  图(12)完美矢量涡旋光生成原理示意图,上边一行显示控制振幅后矢量涡旋光的高阶邦加莱球。左下角为纳米结构单元示意图,右下角是遗传算法流程图。

  介质超构表面对偏振的控制对多功能集成至关重要。偏振检测或成像相关的超构表面将与图像传感器集成,进一步形成更紧凑的系统。

  与矢量光相关的研究,如数据加密和存储、全息、矢量彩色打印、超分辨率聚焦、量子传感等,仍具有重要的研究空间和价值。

  偏振的控制在很多方面还需要不断优化,如材料,动态调谐、效率、像差等方面。

  为更进一步地应用偏振超构表面,需要低成本、高效率的大面积制造的工艺。在不久的将来,偏振控制的全介质超构表面将得到进一步发展,研究范围将扩展到紫外波段,在遥感、机器视觉、生物医学成像和诊断以及材料分析等领域将吸引更多的研究并出现更多的器件甚至商业产品。

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