Kredit:Dongyi Wang, Feifei Liu, Tong Liu, Shulin Sun, Qiong He och Lei Zhou
Vektoriella optiska fält (VOF) som uppvisar godtyckligt utformade vågfronter och polarisationsfördelningar är mycket önskvärda inom fotonik. För att effektivt generera godtyckliga VOF:er, forskare i Kina föreslog ett generiskt tillvägagångssätt baserat på metasytor som uppvisar fullmatris men ändå inhomogena Jones-matrisfördelningar. Baserat på deras strategi, effektiva generationer av komplexa VOF i både fjärr- och närfält demonstrerades experimentellt i NIR-regimen. Den föreslagna metaplattformen öppnar nya vägar för diversifierade fotoniska applikationer, såsom optisk fångst och superupplöst bildbehandling.
Ljusstrålar används i stor utsträckning i fotoniktillämpningar och har väckt ett enormt forskningsintresse. Jämfört med homogent polariserade ljusstrålar, vektoriella optiska fält (VOF) med skräddarsydda vågfronter och inhomogena polarisationsfördelningar uppvisar fler fördelar i applikationer jämfört med deras skalära vågmotsvarigheter, tack vare den extra frihetsgraden (DOF) av polarisering. Genom att skräddarsy polarisationsfördelningarna, speciella VOFs som flik-top-balkar och radiellt polariserade strålar kan genereras, är mycket gynnad i superupplösningsmikroskopi, optiska manipulationer, etc.
Trots stora framsteg inom applikationer, generering av sådana komplexa VOF är långt ifrån tillfredsställande. Tillgängliga metoder baserade på konventionella material lider av skrymmande storlek och problem med låg effektivitet, på grund av den begränsade elektromagnetiska responsen från naturliga material. Och nyligen, metasytor har använts i stor utsträckning för att generera VOF i olika frekvensområden, men mest för fjärrfältsgenerering med vissa begränsade polarisationsfördelningar (t.ex. radiella eller azimutala linjära polarisationer). Dessutom, komplexa VOF i närområdet med godtyckliga polarisationsfördelningar genereras än så länge sällan med metasytor.
a, Schema av vår föreslagna meta-enhet för att generera en virvelstråle med varierande ellipticitet. b, Interferensmönster mellan transmitterat ljus och en sfärisk våg, inspelad av vår CCD. c, SEM-bilden av tillverkat prov. d, Optiska bilder inspelade av vår CCD för den genererade VOF efter att ha passerat genom en linjär polarisator med lutningsvinkel 90°. Kredit:Dongyi Wang, Feifei Liu, Tong Liu, Shulin Sun, Qiong He och Lei Zhou
Kredit:Dongyi Wang, Feifei Liu, Tong Liu, Shulin Sun, Qiong He och Lei Zhou
I en nyutgiven tidning i Ljus:Vetenskap och tillämpningar , Prof. Lei Zhous grupp från fysikavdelningen vid Fudan University i Kina, föreslog ett generiskt tillvägagångssätt för att effektivt generera godtyckliga VOF baserat på metasytor som uppvisar fullmatris men ändå inhomogena Jones-matrisfördelningar. För att illustrera genomförbarheten och kraften i deras strategi, de klargjorde sitt koncept baserat på analytiska beräkningar på modellnivå, och experimentellt demonstrerade en meta-enhet som ett riktmärke som samtidigt kan avleda ljus och manipulera dess polarisering på ett kontrollerbart sätt. Sedan, de demonstrerade vidare experimentellt generationerna av fjärrfälts-VOF som uppvisar en virvelvågfront med en inhomogen polarisationsfördelning och genereringen av en närfälts-VOF med specialdesignade vågfronts- och polarisationsfördelningar och till och med orbital vinkelmomentum, dvs en cylindriskt polariserad virvelytaplasmonvåg. Den utmärkta prestandan hos realiserade metaenheter och den goda överensstämmelsen mellan de experimentella resultaten i NIR-regimen, simuleringarna och analytiska beräkningarna validerade väl deras tillvägagångssätt, gör en sådan metaplattform som en alternativ väg för att generera komplexa VOF:er. Dessa forskare sammanfattar deras VOF-genereringsplattform:
"vi etablerar en generisk strategi för att designa ultratunna metaenheter för att effektivt generera godtyckliga VOF:er (inklusive både fjärr- och närfälts sådana) efter önskemål, och experimentellt demonstrera konceptet i den nära infraröda (NIR) regimen. Nyckelidén är att anta att metaenheten uppvisar en inhomogen Jones-matris med full matris, har således kontrollkapaciteten på både lokalt spinn och global vågfront av en ljusstråle. Den föreslagna strategin är så generisk att vi kan designa VOF-generationens metaenheter som arbetar för att träffa ljus med godtyckliga infallsvinklar och polarisationer i både reflektion och transmission geometrier, " lade de till.
"Sammanfattningsvis, genom att utnyttja de fulla graderna av friheter som tillhandahålls av inhomogen Jones-matris med full matris, vi etablerar en generell strategi för att realisera metaenheter för att generera VOF både i när- och fjärrområdet, med alla designade vågfronter och lokala polarisationsfördelningar. Efter att ha illustrerat vårt generiska koncept genom både analytiska beräkningar på modellnivå och benchmarkexperiment på en onormalt reflekterande halvvågsplatta, vi demonstrerar den fulla förmågan hos vårt tillvägagångssätt genom att experimentellt realisera två metaenheter...Våra resultat erbjuder ett systematiskt tillvägagångssätt för att designa ultrakompakta optiska enheter för att generera godtyckliga VOF:er under allmänna förhållanden i olika frekvensdomäner, som är av stor betydelse i både grundforskning och fotoniska tillämpningar. Många framtida arbeten kan förväntas längs denna linje, som att utvidga konceptet till transmissionsgeometri, onormala incidenser, inhomogena amplituder och godtyckliga infallande polarisationer, och applicera de genererade VOF:erna på flerkanalskommunikation, närfältsavkänning, optisk fångst, och superupplöst bildbehandling, ", avslutar forskarna.
