Voor de eerste keer, onderzoekers hebben ultradunne lagen van 2D-structuren, bekend als metasurfaces, gebruikt om hologrammen te maken die de polarisatie van licht kunnen meten. De nieuwe metasurface-hologrammen kunnen worden gebruikt om zeer snelle en compacte apparaten te maken voor polarisatiemetingen, die worden gebruikt bij spectroscopie, detectie- en communicatietoepassingen.

Meta-oppervlakken zijn optische elementen met kenmerken op nanoschaal en een totale dikte die minder is dan 1/50ste van die van een mensenhaar. Ze kunnen worden gemaakt met standaard fabricagetechnieken voor micro-elektronica, massaproductie mogelijk maken, en kan eenvoudig worden geïntegreerd in optische systemen op waferschaal. Ondanks deze veelbelovende eigenschappen, ze worden nog niet in veel praktische toepassingen gebruikt.

In optiek , het tijdschrift van de Optical Society voor high-impactonderzoek, een multi-institutionele groep onderzoekers rapporteert dat ze metasurface-hologrammen gebruiken om effectief en snel polarisatie te bepalen op nabij-infrarode tot zichtbare golflengten. Het nieuwe werk vertegenwoordigt een stap in de richting van functionele metasurface-gebaseerde apparaten ter ondersteuning van een reeks toepassingen, van telecommunicatie tot chemische analyse.

"Hologrammen gemaakt van meta-oppervlakken zijn een efficiënte en effectieve manier om afbeeldingen van hoge kwaliteit te genereren met een resolutie van subgolflengten, " zei onderzoeksteamleider Xueqian Zhang van de Tianjin University, China. "Ons werk past op unieke wijze metasurface-hologrammen toe op polarisatiemetingen, waarmee apparaten van cameraformaat in één stap de polarisatie kunnen meten zonder bewegende delen."

Polarisatie direct meten

Hoewel zonlicht en de meeste huishoudelijke lichtbronnen ongepolariseerd licht uitstralen dat in alle richtingen oscilleert, optische componenten zoals filters kunnen worden gebruikt om gepolariseerd licht te produceren dat zich in slechts een enkel vlak voortplant, meestal verticaal of horizontaal. Analytische instrumenten zoals spectrometers kunnen meten hoe lichtpolarisatie verandert na interactie met een materiaal om de fysieke eigenschappen ervan te bepalen. Verschillende lichtpolarisaties kunnen ook worden gebruikt om meerdere signalen door optische vezels te sturen voor telecommunicatietoepassingen.

Conventionele methoden voor het bepalen van polarisatie vereisen vaak meerdere metingen, omvangrijke optische opstellingen of nauwkeurige afstelling van hoogwaardige optische componenten om indirect de polarisatietoestand te bepalen. In het nieuwe werk de onderzoekers gebruikten in plaats daarvan een meta-oppervlak om de polarisatie direct te bepalen door de amplitude en fase van lichtgolven te vergelijken die haaks op zichzelf gepolariseerd zijn.

Het meta-oppervlak genereert twee overlappende holografische afbeeldingen, een die linkshandig circulair gepolariseerd (LCP) is en een andere die rechtshandig circulair gepolariseerd is (RCP). Circulair gepolariseerd licht heeft een elektrisch veldoscillatievlak dat naar links of rechts roteert in een vlak loodrecht op de richting van de golf.

"De overlappende beelden kunnen eenvoudig en snel worden vastgelegd met een CCD-camera, " zei Zhang.

"Door de interferentie van de twee holografische beelden te analyseren, we kunnen het amplitudecontrast en het faseverschil tussen de LCP- en RCP-componenten van de invallende bundel verkrijgen, dus het identificeren van de polarisatie staat."

De sleutel tot de nieuwe techniek was een algoritme genaamd Gerchberg-Saxton, die veel wordt gebruikt in holografisch onderzoek. De onderzoekers ontdekten hoe ze dit algoritme konden aanpassen, zodat het gebruikt kon worden om het faseverschil tussen de LCP- en RCP-componenten van het invallende licht in de overlappende holografische beelden te identificeren.

Effectieve polarisatiemetingen

De onderzoekers demonstreerden hun nieuwe metasurface holografische benadering door deze te gebruiken om de polarisatietoestanden van verlichtende lichtstralen met bekende polarisaties te meten. De gemeten polarisatietoestanden kwamen goed overeen met de bekende, bevestiging van de effectiviteit van de aanpak. In de toekomst, het meta-oppervlak zou kunnen worden opgenomen in het lichtgevoelige gebied van een camera om een ​​compact apparaat te maken voor het meten van polarisatie.

Het metaoppervlak dat de onderzoekers gebruikten, is gebaseerd op de Pancharatnam-Berry phase (ook bekend als geometrische fase) methode, met relatieve fasereacties die geen dispersie vertonen. Hierdoor kunnen de metasurface-hologrammen over een breed scala aan golflengten werken.

"Onze methode kan worden uitgebreid tot veel potentiële toepassingen die polarisatiemeting vereisen, zoals polarisatiespectroscopie, detectie en communicatie, "Zei Zhang. "Polarisatie-gecodeerde holografie kan ook worden gebruikt voor het verzenden van beveiligingsinformatie, omdat alleen een ontvanger die de gewenste polarisatietoestanden kent, informatie uit de uiteindelijke holografische beelden kan decoderen."

Nu ze het concept hebben bewezen, de onderzoekers zijn van plan de efficiëntie van de methode te verbeteren en zullen de prestaties vergelijken met conventionele commerciële instrumenten die worden gebruikt om polarisatie te meten.