Pour la première fois, les chercheurs ont utilisé des couches ultrafines de structures 2D connues sous le nom de métasurfaces pour créer des hologrammes capables de mesurer la polarisation de la lumière. Les nouveaux hologrammes de métasurface pourraient être utilisés pour créer des dispositifs très rapides et compacts pour les mesures de polarisation, qui sont utilisés en spectroscopie, applications de détection et de communication.

Les métasurfaces sont des éléments optiques dotés de caractéristiques à l'échelle nanométrique et d'une épaisseur globale inférieure à 1/50e de celle d'un cheveu humain. Ils peuvent être réalisés avec des techniques de fabrication microélectronique standard, permettre la production de masse, et peut être facilement intégré dans des systèmes optiques à l'échelle d'une plaquette. Malgré ces caractéristiques prometteuses, ils ne sont pas encore utilisés dans de nombreuses applications pratiques.

Dans Optique , le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, un groupe de chercheurs multi-institutionnels déclare avoir utilisé des hologrammes de métasurface pour déterminer efficacement et rapidement la polarisation dans les longueurs d'onde du proche infrarouge au visible. Le nouveau travail représente une étape vers des dispositifs fonctionnels basés sur les métasurfaces pour prendre en charge une gamme d'applications allant des télécommunications à l'analyse chimique.

"Les hologrammes fabriqués à partir de métasurfaces sont un moyen efficace et efficient de générer des images de haute qualité avec une résolution inférieure à la longueur d'onde, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Xueqian Zhang de l'Université de Tianjin, Chine. "Notre travail applique uniquement des hologrammes de métasurface aux mesures de polarisation, qui pourrait permettre à des appareils de la taille d'une caméra de mesurer la polarisation en une seule étape sans pièces mobiles."

Mesurer directement la polarisation

Bien que la lumière du soleil et la plupart des sources lumineuses domestiques émettent une lumière non polarisée qui oscille dans toutes les directions, les composants optiques tels que les filtres peuvent être utilisés pour produire une lumière polarisée qui se propage dans un seul plan, généralement vertical ou horizontal. Les instruments d'analyse tels que les spectromètres peuvent mesurer comment la polarisation de la lumière change après avoir interagi avec un matériau pour déterminer ses propriétés physiques. Différentes polarisations lumineuses peuvent également être utilisées pour envoyer plusieurs signaux à travers des fibres optiques pour des applications de télécommunications.

Les méthodes conventionnelles de détermination de la polarisation nécessitent souvent plusieurs mesures, des configurations optiques volumineuses ou un réglage précis de composants optiques de haute qualité pour déterminer indirectement l'état de polarisation. Dans le nouveau travail, les chercheurs ont plutôt utilisé une métasurface pour déterminer directement la polarisation en comparant l'amplitude et la phase des ondes lumineuses qui sont polarisées à angle droit par rapport à elles-mêmes.

La métasurface génère deux images holographiques superposées, un qui est polarisé circulairement vers la gauche (LCP) et un autre qui est polarisé circulairement vers la droite (RCP). La lumière polarisée circulairement présente un plan d'oscillation de champ électrique qui tourne vers la gauche ou la droite dans un plan perpendiculaire à la direction de l'onde.

"Les images qui se chevauchent peuvent être capturées simplement et rapidement à l'aide d'une caméra CCD, " dit Zhang.

"En analysant l'interférence des deux images holographiques, on peut obtenir le contraste d'amplitude et la différence de phase entre les composantes LCP et RCP du faisceau incident, identifiant ainsi l'état de polarisation."

La clé de la nouvelle technique était un algorithme appelé Gerchberg-Saxton, qui est largement utilisé dans la recherche holographique. Les chercheurs ont découvert comment modifier cet algorithme afin qu'il puisse être utilisé pour identifier la différence de phase entre les composants LCP et RCP de la lumière incidente dans les images holographiques qui se chevauchent.

Mesures de polarisation efficaces

Les chercheurs ont démontré leur nouvelle approche holographique de métasurface en l'utilisant pour mesurer les états de polarisation de faisceaux lumineux d'éclairage avec des polarisations connues. Les états de polarisation mesurés correspondaient bien à ceux connus, confirmant l'efficacité de l'approche. À l'avenir, la métasurface pourrait être incorporée dans la zone photosensible d'un appareil photo pour en faire un appareil compact de mesure de la polarisation.

La métasurface utilisée par les chercheurs est basée sur la méthode de la phase Pancharatnam-Berry (également connue sous le nom de phase géométrique), qui présente des réponses de phase relatives qui ne présentent aucune dispersion. Cela permet aux hologrammes de métasurface de fonctionner sur une large gamme de longueurs d'onde.

"Notre méthode peut être étendue à de nombreuses applications potentielles nécessitant une mesure de polarisation, comme la spectroscopie de polarisation, détection et communication, ", a déclaré Zhang. "L'holographie codée par polarisation pourrait également être utilisée pour la transmission d'informations de sécurité, car seul un récepteur connaissant les états de polarisation souhaités pourrait décoder les informations des images holographiques finales."

Maintenant qu'ils ont prouvé le concept, les chercheurs prévoient d'améliorer l'efficacité de la méthode et compareront ses performances avec les instruments commerciaux conventionnels utilisés pour mesurer la polarisation.