Figur 1. (a) Den konventionella linjalen (vänster) drivs av mekanisk rotation och avläses visuellt med en lättanvänd storlek. Som en analog visas en ultrakompakt prototyp av den fotoniska motsvarigheten (höger) baserad på metasurface-plattformen. Metaenheten är designad med infallsfrekvens och polarisationstillståndsfunktion med varierande faser. På motsvarande sätt observeras vinkelupplösta interfererade fläckar i fjärrfältet. (b) Metaenhetens design kan kopplas bort till två delar:virvelgenerering och akromatisk ringformig fokusering. Båda fasprofilerna är beroende av frekvensen. I virvelstråledesignen roterar faserna i motsatta riktningar och med distinkta vinkelhastigheter med olika topologiska laddningar. (c) Interferensholografin genererar en rörlig symmetrisk ring med intensitetsfördelning indikerad som den lila kurvan till höger. Som en representant är intensitetsfördelning vid våglängd 3,75 μm för demonstration. (d) De tagna bilderna vid olika frekvenser på samma fokalplan med vänster cirkulärt ljusinfall. Den ringformiga intensitetsfördelningen roterar med infallsfrekvensen. Kredit: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 och Wei Lu
Mid-wavelength infrared (MWIR) är en unik regim med olika potentiella tillämpningar inom fingeravtrycksdetektion. Det är också ett av tre atmosfäriska transmissionsfönster som visar betydande möjligheter inom mörkerseende på låg ljusnivå och kommunikationer i fritt utrymme. Den exakta detekteringen av okända fotoner i detta band spelar en oumbärlig roll i flyg- och astronautiktillämpningar. Men med den konventionella skrymmande mätuppsättningen med många kaskadkopplade optiska element eller metasytbaserade anordningar, begränsas de av den begränsade longitudinella spridningen och avsaknaden av samtidig upplösning av våglängd och polarisationstillstånd.
I en ny artikel publicerad iLight:Science &Applications , ett team av vetenskapsmän, ledda av Dr. Guanhai Li från statens nyckellaboratorium för infraröd fysik, Shanghai Institute of Technical Physics, Kina, och medarbetare har föreslagit en mångsidig fotonisk skjutregel baserad på en metayta av helt kisel som möjliggör samtidig rekonstruktion av infallande fotoners frekvens och polarisationstillstånd. Metaytan utnyttjar både akromatiskt fokuserande och azimutalt utvecklande faser med topologiska laddningar +1 och -1 för att säkerställa de konfokala ringformiga intensitetsfördelningarna i fjärrfältet.
Inspirerad av konventionella diaregler, som integrerar beräkningsreglerna i den inneboende utvecklingen av fysiska parametrar, presenterar teamet den fotoniska diaregeln och demonstrerar prototypen för att karakterisera infallande fotoners frekvens och polarisationstillstånd. Med en kiselmetaytadesign motsvarar olika våglängder och polarisationstillstånd olika fasprofiler, vilket resulterar i de vinkelupplösta fokuseringsfläckarna i fjärrfältet. Två distinkta grupper av metaatomer är utformade för att ha olika virvelstrålebärare och fasdispersioner. Det vinkelupplösta interferensmönstret i fjärrfältet av två grupper av metaatomer ger en lättåtkomlig hämtning av våglängden och polarisationstillståndet. Som en analog migrerar de framgångsrikt den aritmetiska logiken för dispersiva faser till den inneboende variationen av fotoniska dimensioner - frekvens och polarisation med metaytan av helt kisel.
Figur 2. De tagna bilderna på fokalplanet vid olika frekvenser under vänster och höger cirkulär polarisationsincidens. De inre och yttre ringen är respektive ljusare som en funktion av det infallande polarisationstillståndet. 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. + Utforska vidare
