För första gången, forskare har använt ultratunna lager av 2D-strukturer som kallas metasytor för att skapa hologram som kan mäta ljusets polarisering. De nya metasythologrammen kan användas för att skapa mycket snabba och kompakta enheter för polarisationsmätningar, som används i spektroskopi, avkännings- och kommunikationstillämpningar.

Metasytor är optiska element med nanoskaliga egenskaper och en total tjocklek som är mindre än 1/50 av ett människohår. De kan tillverkas med standardtekniker för tillverkning av mikroelektronik, möjliggör massproduktion, och kan enkelt integreras i optiska system i wafer-skala. Trots dessa lovande egenskaper, de används ännu inte i många praktiska tillämpningar.

I Optica , Optical Societys tidskrift för forskning med hög effekt, en multi-institutionell grupp av forskare rapporterar att de använder metasythologram för att effektivt och snabbt bestämma polarisering vid nära-infraröda till synliga våglängder. Det nya arbetet representerar ett steg mot funktionella metasytor baserade enheter för att stödja en rad applikationer från telekommunikation till kemisk analys.

"Hologram gjorda av metasytor är ett effektivt och effektivt sätt att generera högkvalitativa bilder med subvåglängdsupplösning, " sa forskargruppsledaren Xueqian Zhang från Tianjin University, Kina. "Vårt arbete tillämpar unikt metasythologram på polarisationsmätningar, som skulle kunna möjliggöra enheter i kamerastorlek som mäter polarisation i ett steg utan rörliga delar."

Mätning av polarisation direkt

Även om solljus och de flesta hushållsljuskällor avger opolariserat ljus som svänger i alla riktningar, optiska komponenter som filter kan användas för att producera polariserat ljus som fortplantar sig i bara ett enda plan - vanligtvis vertikalt eller horisontellt. Analytiska instrument som spektrometrar kan mäta hur ljuspolarisation förändras efter att ha interagerat med ett material för att bestämma dess fysikaliska egenskaper. Olika ljuspolarisationer kan också användas för att skicka flera signaler genom optiska fibrer för telekommunikationstillämpningar.

Konventionella metoder för att bestämma polarisation kräver ofta flera mätningar, skrymmande optiska inställningar eller exakt justering av högkvalitativa optiska komponenter för att indirekt bestämma polarisationstillståndet. I det nya verket, forskarna använde istället en metayta för att bestämma polarisation direkt genom att jämföra amplituden och fasen för ljusvågor som är polariserade i rät vinkel mot dem själva.

Metaytan genererar två överlappande holografiska bilder, en som är vänsterhänt cirkulärpolariserad (LCP) och en annan som är högerhänt cirkulärpolariserad (RCP). Cirkulärt polariserat ljus har ett elektriskt fältsvängningsplan som roterar åt vänster eller höger i ett plan vinkelrätt mot vågens riktning.

"De överlappande bilderna kan enkelt och snabbt fångas med en CCD-kamera, " sa Zhang.

"Genom att analysera interferensen av de två holografiska bilderna, vi kan erhålla amplitudkontrasten och fasskillnaden mellan LCP- och RCP-komponenterna för den infallande strålen, identifierar därmed polariseringstillståndet."

Nyckeln till den nya tekniken var en algoritm som heter Gerchberg-Saxton, som används flitigt i holografisk forskning. Forskarna kom på hur man modifierar denna algoritm så att den kunde användas för att identifiera fasskillnaden mellan LCP- och RCP-komponenterna i det infallande ljuset i de överlappande holografiska bilderna.

Effektiva polarisationsmätningar

Forskarna demonstrerade sitt nya holografiska tillvägagångssätt med metasytor genom att använda det för att mäta polarisationstillstånden för belysande ljusstrålar med kända polarisationer. De uppmätta polarisationstillstånden matchade väl med de kända, bekräftar tillvägagångssättets effektivitet. I framtiden, metaytan skulle kunna införlivas i kamerans ljuskänsliga område för att göra en kompakt enhet för att mäta polarisation.

Metaytan som forskarna använde är baserad på metoden Pancharatnam-Berry-fasen (även känd som geometrisk fas), som har relativa fassvar som inte uppvisar någon dispersion. Detta gör att metasythologrammen kan arbeta över ett brett spektrum av våglängder.

"Vår metod kan utvidgas till många potentiella tillämpningar som kräver polarisationsmätning, såsom polarisationsspektroskopi, avkänning och kommunikation, ", sade Zhang. "Polarisationskodad holografi kan också användas för överföring av säkerhetsinformation eftersom endast en mottagare som känner till de önskade polarisationstillstånden kan avkoda information från de slutliga holografiska bilderna."

Nu när de har bevisat konceptet, forskarna planerar att förbättra metodens effektivitet och kommer att jämföra dess prestanda med konventionella kommersiella instrument som används för att mäta polarisering.