Vectoriële optische velden (VOF's) die willekeurig ontworpen golffronten en polarisatieverdelingen vertonen, zijn zeer gewenst in fotonica. Om efficiënt willekeurige VOF's te genereren, wetenschappers in China stelden een generieke benadering voor op basis van meta-oppervlakken die volledige matrix maar inhomogene Jones-matrixdistributies vertonen. Op basis van hun strategie, efficiënte generaties van complexe VOF's in zowel verre als nabije velden werden experimenteel aangetoond in het NIR-regime. Het voorgestelde metaplatform opent nieuwe wegen voor gediversifieerde fotonische toepassingen, zoals optische trapping en beeldvorming met superresolutie.

Lichtstralen worden veel gebruikt in fotonica-toepassingen en hebben enorme onderzoeksinteresse gewekt. In vergelijking met homogeen gepolariseerde lichtstralen, vectoriële optische velden (VOF's) met op maat gemaakte golffronten en inhomogene polarisatieverdelingen vertonen meer voordelen in toepassingen in vergelijking met hun tegenhangers van scalaire golven, dankzij de toegevoegde vrijheidsgraad (DOF) van polarisatie. Door de polarisatieverdelingen aan te passen, speciale VOF's zoals flap-top beams en radiaal gepolariseerde beams kunnen worden gegenereerd, zeer geliefd bij superresolutiemicroscopie, optische manipulaties, enzovoort.

Ondanks grote vooruitgang in toepassingen, generatie van dergelijke complexe VOF's zijn verre van bevredigend. Beschikbare methoden op basis van conventionele materialen hebben last van omvangrijke afmetingen en lage efficiëntieproblemen, vanwege de beperkte elektromagnetische respons van natuurlijke materialen. En onlangs, meta-oppervlakken zijn op grote schaal gebruikt om VOF's in verschillende frequentiebereiken te genereren, maar meestal voor far-field generatie met bepaalde beperkte polarisatieverdelingen (bijvoorbeeld radiale of azimutale lineaire polarisaties). In aanvulling, complexe VOF's in het nabije veld met willekeurige polarisatieverdelingen worden tot nu toe zelden gegenereerd met meta-oppervlakken.

In een nieuw gepubliceerd artikel in Licht:wetenschap en toepassingen , Prof. Lei Zhou's groep van de afdeling Natuurkunde van de Fudan Universiteit in China, stelde een generieke benadering voor om efficiënt willekeurige VOF's te genereren op basis van meta-oppervlakken die volledige matrix maar inhomogene Jones-matrixdistributies vertonen. Om de haalbaarheid en kracht van hun strategie te illustreren, ze lichtten hun concept toe op basis van analytische berekeningen op modelniveau, en heeft experimenteel een meta-apparaat gedemonstreerd als een maatstaf die tegelijkertijd licht kan afbuigen en de polarisatie ervan op een beheersbare manier kan manipuleren. Vervolgens, ze hebben verder experimenteel de generaties van far-field VOF's gedemonstreerd die een vortexgolffront vertonen met een inhomogene polarisatieverdeling en het genereren van een near-field VOF met speciaal ontworpen golffront- en polarisatieverdelingen en zelfs orbitaal impulsmoment, d.w.z. een cilindrisch gepolariseerde vortex-oppervlakteplasmongolf. De uitstekende prestaties van gerealiseerde meta-apparaten en de goede overeenstemming tussen de experimentele resultaten in het NIR-regime, de simulaties en analytische berekeningen hebben hun aanpak goed gevalideerd, een dergelijk meta-platform maken als een alternatieve manier om complexe VOF's te genereren. Deze wetenschappers vatten hun VOF-generatieplatform samen:

"we stellen een generieke strategie op voor het ontwerpen van ultradunne meta-apparaten om efficiënt willekeurige VOF's te genereren (inclusief zowel far-field als near-field-exemplaren) zoals gewenst, en het concept experimenteel demonstreren in het nabij-infrarood (NIR) regime. Het belangrijkste idee is om aan te nemen dat het meta-apparaat een inhomogene volledige matrix Jones-matrix vertoont, dus beschikken over de controlemogelijkheden op zowel de lokale spin als het globale golffront van een lichtstraal. De voorgestelde strategie is zo generiek dat we meta-apparaten van de VOF-generatie kunnen ontwerpen die werken voor invallend licht met willekeurige invalshoeken en polarisaties in zowel reflectie als transmissie geometrieën, " voegden ze eraan toe.

"Samengevat, door gebruik te maken van de volledige vrijheidsgraden die worden geboden door de inhomogene Jones-matrix met volledige matrix, we stellen een algemene strategie op om meta-apparaten te realiseren om VOF's te genereren, zowel in het nabije als verre veld, met elk ontworpen golffront en lokale polarisatieverdelingen. Na ons generieke concept te hebben geïllustreerd door zowel analytische berekeningen op modelniveau als benchmarkexperimenten op een abnormaal reflecterende halfgolfplaat, we demonstreren de volledige mogelijkheden van onze aanpak door experimenteel twee meta-apparaten te realiseren... Onze resultaten bieden een systematische aanpak om ultracompacte optische apparaten te ontwerpen om willekeurige VOF's te genereren onder algemene omstandigheden in verschillende frequentiedomeinen, die van groot belang zijn in zowel fundamenteel onderzoek als fotonische toepassingen. Langs deze lijn zijn veel toekomstige werken te verwachten, zoals het uitbreiden van het concept naar transmissiegeometrie, niet-normale incidenten, inhomogene amplitudes en willekeurige invallende polarisaties, en het toepassen van de gegenereerde VOF's op communicatie via meerdere kanalen, nabije velddetectie, optische vangst, en beeldvorming met superresolutie, ’ concluderen de wetenschappers.