Règle à calcul photonique :Résolution simultanée de la longueur d'onde et de l'état de polarisation

Figure 1. (a) La règle à calcul conventionnelle (à gauche) est entraînée par rotation mécanique et lue visuellement avec une taille facile à utiliser. En tant qu'analogue, un prototype ultra-compact de la contrepartie photonique (à droite) basé sur la plate-forme de métasurface est présenté. Le métadispositif est conçu avec la fréquence incidente et la fonction d'état de polarisation avec des phases variables. De manière correspondante, des points d'interférence résolus en angle sont observés dans le champ lointain. (b) La conception du métadispositif peut être découplée en deux parties :la génération de vortex et la focalisation annulaire achromatique. Les deux profils de phase dépendent de la fréquence. Dans la conception du faisceau vortex, les phases tournent dans des directions opposées et à des vitesses angulaires distinctes avec des charges topologiques différentes. (c) L'holographie d'interférence génère un anneau symétrique en mouvement avec une distribution d'intensité indiquée par la courbe violette à droite. En tant que représentant, la distribution d'intensité à la longueur d'onde de 3,75 μm est pour la démonstration. ( d ) Les images capturées à différentes fréquences sur le même plan focal avec une incidence de lumière circulaire gauche. La distribution d'intensité annulaire tourne avec la fréquence incidente. Crédit :Feilong Yu, Jin Chen, Lujun Huang, Zengyue Zhao, Jiuxu Wang, Rong Jin, Jian Chen, Jian Wang, Andrey E Miroshnichenko, Tianxin Li, Guanhai Li, Xiaoshuang Chen et Wei Lu

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 volumineuse 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 Light :Science &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 entièrement en silicium.

Figure 2. Les images capturées sur le plan focal à différentes fréquences sous incidence de polarisation circulaire gauche et droite. Les couronnes intérieure et extérieure sont respectivement éclaircies en fonction de l'état de polarisation incident. Credit:Feilong Yu, Jin Chen, Lujun Huang, Zengyue Zhao, Jiuxu Wang, Rong Jin, Jian Chen, Jian Wang, Andrey E Miroshnichenko, Tianxin Li, Guanhai Li, Xiaoshuang Chen and Wei Lu

The research team selected the meta-atoms with different polarization responses and arranged with spatial multiplexing to further construct the secondary mapping of the unknown photon polarization information in the focal plane. With this handling, they achieved the simultaneous resolving of the frequency and polarization state of the unknown incident photon. As shown in Figure 2, the rotation angles of the inner and outer rings resolve the frequency of the incident photon, while the polarization information of the incident photon can be straightforwardly obtained from the position of the focusing spots. The inner ring corresponds to the left-handed circular polarization state, and the outer ring is right-handed circular polarization state.

Finally, through theoretical analysis, numerical simulation and experimental measurement, the research team confirmed that the metasurface-based photonic slide rule can effectively overcome the limitation of traditional bulk material devices in the workspace, especially the axial distance, and realized a new scheme of ultra-compact and highly-integrated characterization of the unknown photons' wavelength and polarization state. This work provides an analog of the conventional slide rule to flexibly characterize the photons in an ultra-compact and multifunctional way and may find applications in integrated optical circuits or pocketable devices.

Dr. Yu Feilong and Dr. Chen Jin are the co-first authors of this paper, and Dr. Li Guanhai is the corresponding author. Profs. Chen Xiaoshuang and Lu Wei provided significant instructions on this work. + Explorer plus loin