Les champs optiques vectoriels (VOF) présentant des fronts d'onde et des distributions de polarisation arbitraires sont très recherchés en photonique. Pour générer efficacement des VOF arbitraires, des scientifiques en Chine ont proposé une approche générique basée sur des métasurfaces présentant des distributions de matrice de Jones pleines mais inhomogènes. Sur la base de leur stratégie, Des générations efficaces de VOF complexes à la fois en champ lointain et en champ proche ont été démontrées expérimentalement dans le régime NIR. La méta-plateforme proposée ouvre de nouvelles voies pour des applications photoniques diversifiées, tels que le piégeage optique et l'imagerie à super-résolution.

Les faisceaux lumineux sont largement utilisés dans les applications photoniques et ont suscité un immense intérêt pour la recherche. Par rapport aux faisceaux lumineux à polarisation homogène, les champs optiques vectoriels (VOF) avec des fronts d'onde adaptés et des distributions de polarisation non homogènes présentent plus d'avantages dans les applications par rapport à leurs homologues à ondes scalaires, grâce au degré de liberté ajouté (DOF) de polarisation. En adaptant les distributions de polarisation, des VOF spéciaux tels que des faisceaux à volets et des faisceaux à polarisation radiale peuvent être générés, étant très apprécié en microscopie super-résolution, manipulations optiques, etc.

Malgré de grandes avancées dans les applications, génération de ces VOF complexes sont loin d'être satisfaisantes. Les méthodes disponibles basées sur des matériaux conventionnels souffrent de problèmes de taille et de faible efficacité, en raison de la réponse électromagnétique limitée des matériaux naturels. Et récemment, les métasurfaces ont été largement utilisées pour générer des VOF dans différentes gammes de fréquences, mais surtout pour la génération de champ lointain avec certaines distributions de polarisation limitées (par exemple, polarisations linéaires radiales ou azimutales). En outre, Les VOF complexes en champ proche avec des distributions de polarisation arbitraires sont jusqu'à présent rarement générés avec des métasurfaces.

Dans un article récemment publié dans Lumière :science et applications , Le groupe du professeur Lei Zhou du département de physique de l'université de Fudan en Chine, ont proposé une approche générique pour générer efficacement des VOF arbitraires basés sur des métasurfaces présentant des distributions de matrice de Jones à matrice complète mais inhomogènes. Pour illustrer la faisabilité et la puissance de leur stratégie, ils ont élucidé leur concept sur la base de calculs analytiques au niveau du modèle, et démontré expérimentalement un méta-dispositif comme référence qui peut simultanément dévier la lumière et manipuler sa polarisation de manière contrôlable. Puis, ils ont en outre démontré expérimentalement les générations de VOF en champ lointain présentant un front d'onde de vortex avec une distribution de polarisation non homogène et la génération d'un VOF en champ proche avec des distributions de front d'onde et de polarisation spécialement conçues et même un moment angulaire orbital, c'est-à-dire une onde plasmonique de surface vortex polarisée cylindriquement. L'excellente performance des méta-dispositifs réalisés et le bon accord entre les résultats expérimentaux en régime NIR, les simulations et calculs analytiques ont bien validé leur approche, faire de cette méta-plateforme une alternative pour générer des VOF complexes. Ces scientifiques résument leur plateforme de génération de VOF :

« nous établissons une stratégie générique pour concevoir des méta-dispositifs ultra-minces afin de générer efficacement des VOF arbitraires (y compris à la fois en champ lointain et en champ proche) comme vous le souhaitez, et démontrer expérimentalement le concept dans le régime proche infrarouge (NIR). L'idée clé est de supposer que le méta-dispositif présente une matrice de Jones non homogène à matrice complète, possédant ainsi les capacités de contrôle à la fois du spin local et du front d'onde global d'un faisceau lumineux. La stratégie proposée est si générique que nous pouvons concevoir des méta-dispositifs de génération VOF fonctionnant pour des lumières incidentes avec des angles d'incidence arbitraires et des polarisations à la fois en réflexion et en transmission géométries, " ont-ils ajouté.

"En résumé, en exploitant tous les degrés de liberté fournis par la matrice de Jones inhomogène à matrice complète, nous établissons une stratégie générale pour réaliser des méta-dispositifs pour générer des VOF à la fois en champ proche et en champ lointain, avec n'importe quel front d'onde conçu et distribution de polarisation locale. Après avoir illustré notre concept générique par des calculs analytiques au niveau du modèle et des expériences de référence sur une lame demi-onde à réflexion anormale, nous démontrons toutes les capacités de notre approche en réalisant expérimentalement deux méta-dispositifs... Nos résultats offrent une approche systématique pour concevoir des dispositifs optiques ultra-compacts pour générer des VOF arbitraires dans des conditions générales dans différents domaines de fréquence, qui sont d'une grande importance dans les recherches fondamentales et les applications photoniques. De nombreux travaux futurs sont à prévoir dans ce sens, comme l'extension du concept à la géométrie de la transmission, incidences anormales, amplitudes inhomogènes et polarisations incidentes arbitraires, et appliquer les VOF générés à des communications multicanaux, détection de champ proche, piégeage optique, et imagerie super-résolution, " concluent les scientifiques.