Polarisatiecontrole is essentieel voor het afstemmen van interacties tussen licht en materie en vormt de basis voor veel toepassingen zoals polarisatiebeeldvorming, niet-lineaire optica, gegevens opslag, en informatie multiplexen. Een lineaire polarisator, dat is een optisch element voor polarisatie dat een specifieke lineaire polarisatie filtert uit niet-gepolariseerd licht, speelt een belangrijke rol bij het genereren en manipuleren van polarisatie. Echter, het genereren van willekeurige polarisatietoestanden anders dan lineaire polarisatie vereist meestal cascadering van meerdere optische polarisatie-elementen, inclusief zowel lineaire polarisatoren als golfplaten op basis van anisotrope materialen of nanostructuren, wat leidt tot omvangrijke optische systemen die ver verwijderd zijn van de lang gezochte miniaturisering en integratie.

In een nieuwe krant in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder toezicht van Prof. Xiangping Li en Zi-Lan Deng van Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications, Instituut voor Fotonica Technologie, Jinan-universiteit, China en collega's hebben een effectieve aanpak voorgesteld om in één stap volledige Poincaré-bolpolarisatoren te bereiken door circulair conversiedichroïsme (CCD) uit te breiden naar willekeurig polarisatieconversiedichroïsme (APCD) door middel van een monolaag meta-oppervlak.

Door gedimeriseerde metamoleculen te gebruiken die zijn samengesteld uit een paar dubbelbrekende metaatomen met goed op maat gemaakte anisotrope fasereacties en relatieve oriëntatiehoeken, de collectieve interferentie van verre-veldstraling van die meta-atomen kan worden gecontroleerd om APCD te genereren. Dit systeem is in staat om bij voorkeur één polarisatietoestand uit te zenden die zich op een willekeurige positie op een Poincaré-bol kan bevinden en deze om te zetten in doorvallend licht met omgedraaide handigheid, terwijl de orthogonale polarisatietoestand volledig wordt geblokkeerd. Dit APCD-meta-oppervlak kan een willekeurig gepolariseerde bundel genereren die zich op een willekeurige positie op de Poincaré-bol bevindt, ongeacht ingangspolarisatie, en fungeert dus als een polarisator die door ontwerp de volledige Poincaré-bol kan bedekken.

In praktijk, we realiseren een dergelijke APCD in een volledig diëlektrisch metasurface-platform in het zichtbare frequentiebereik, manifesteert doorlatend polarisatie dichroïsme (PD) van bijna 100% in theorie en meer dan 90% experimenteel. We gebruiken de perfecte PD-functie van dit systeem om willekeurige polarisatie aan te tonen, inclusief lineair, circulaire en elliptische polarisatie, direct van ongepolariseerd licht. Deze alles-in-één metasurface-polarisator dient als een monolithische willekeurige polarisatiegenerator, uiteindelijk veelbelovende geminiaturiseerde optische apparaten voor geïntegreerde nanofotonische systemen met aanzienlijk verminderde complexiteit. Deze wetenschappers vatten het werkingsprincipe van hun Poincaré bolpolarisator samen:

"We ontwerpen willekeurige toestandspolarisatoren op basis van willekeurig polarisatieconversie-dichroïsme zonder rekening te houden met invallende polarisaties:(1) Analyse van de Jones-matrix van het vlakke meta-oppervlak en realiseren van het willekeurige polarisatieconversie-dichroïsme; (2) Toepassen van de Jones-matrix in diatomisch diëlektrisch meta-oppervlak met zorgvuldig op maat gemaakte geometrische parameters; (3) Het aantonen van de gegenereerde polarisatie zonder invloeden van ingangsbundels."

"De dichroïsme-parameter is bijna 100% in simulatie en meer dan 90% experimenteel, deze perfecte prestatie zorgt ervoor dat het ontworpen meta-oppervlak werkt als polarisator voor willekeurige polarisatie, zelfs op een ongepolariseerde straal, " voegden ze eraan toe.