中波紅外(MWIR)作為最重要的透明大氣窗口之一，對太陽背景輻射的干擾不太敏感，為各種材料的指紋光譜提供了高透射區(qū)，并實現(xiàn)了之間的通信通道空間和地面。光子、波長、偏振及其測量的基本特征在幾乎所有科學領(lǐng)域和遙感技術(shù)中都引起了極大的興趣。然而，各種偏振和波長通道之間的串擾阻礙了在高信噪比下進行準確的中紅外檢測。
在Light:Science&Applications上發(fā)表的一篇新論文中，由上海技術(shù)物理研究所的李冠海博士和新加坡國立大學的Cheng-weiQiu博士領(lǐng)導的一組科學家提出了分散瓊斯矩陣方法，通過構(gòu)建基于全硅超表面的波長解耦相干像素。在沒有空間或時間成本和串擾的情況下，該方法可以在預(yù)定義的離散波長下對任何所需的正交偏振通道進行獨立的相位操作。
衛(wèi)星或飛機攜帶的機載有效載荷捕獲地面目標[汽車(λ1,P1)、人(λ2,P2)和模型(λ3,P3)的精細特征的典型場景)]在低照度背景下如圖1所示。為了從不同的波長和偏振中獲取信息，已經(jīng)探索了具有級聯(lián)元件的傳統(tǒng)光學系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)分立濾光片/偏振器或分割檢測焦平面陣列。這些配置存在體積龐大和冗余、光子收集效率低等問題。更重要的是，它們的實現(xiàn)是以降低空間或時間分辨率為代價的。
能夠在操縱多個光子維度(例如波長、偏振和相位)時實現(xiàn)多功能納米級光控制的超表面，已經(jīng)充分顯示出以易于集成和多功能的方式取代冗余和復(fù)雜系統(tǒng)的巨大潛力。然而，調(diào)制路徑受限于傳統(tǒng)元原子的幾何對稱方向。
為了打破不同波長偏振操作固有的本征偏振約束，該小組提出了一種色散瓊斯矩陣方法，通過用四個全硅元原子構(gòu)建波長解耦的相干像素。為了確保超級電池在所有三個波長和六個偏振通道上的高性能，通過粒子群遺傳算法優(yōu)化超級電池的周期幾何參數(shù)，從而實現(xiàn)多波長維度的任意偏振調(diào)制。
聯(lián)合研究團隊準備了一個具有代表性的多色全偏振控制元器件，并展示了在三個波長的空間分離通道上通過三對任意選擇的正交偏振產(chǎn)生消色差聚焦點。它模仿了在傳統(tǒng)設(shè)置中并聯(lián)放置的級聯(lián)濾波器、偏振器和波片的功能。
三個波長下的三對不同的正交偏振態(tài)是3.0μm的線性偏振、3.6μm的橢圓偏振(橢圓角30°)和4.5μm的圓偏振。雖然該方法基于波長解耦的相干像素，每個像素只有四個傳統(tǒng)的線性EPS元原子，但它仍然適用于多個波長并且偏振態(tài)的形式是任意的。例如，實現(xiàn)了一個十通道元器件，如圖2所示。選定的五對正交偏振態(tài)顯示在龐加萊球中，這與設(shè)計非常吻合。
聯(lián)合研究團隊通過理論分析、模擬和實驗測量證明了本征極化工程。它以超緊湊和集成的方式將偏振應(yīng)用從科學研究擴展到工業(yè)，否則需要并聯(lián)各種級聯(lián)元件。
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