Middengolflengte-infrarood (MWIR) is een uniek regime met verschillende mogelijke toepassingen in vingerafdrukdetectie. Het is ook een van de drie atmosferische transmissievensters die aanzienlijke mogelijkheden laat zien in nachtzicht bij weinig licht en communicatie in de vrije ruimte. De nauwkeurige detectie van onbekende fotonen in deze band speelt een onmisbare rol in luchtvaart- en ruimtevaarttoepassingen. Met de conventionele omvangrijke meetopstelling met veel gecascadeerde optische elementen of metasurface-gebaseerde apparaten, worden ze echter beperkt door de beperkte longitudinale dispersie en het ontbreken van gelijktijdige oplossing van golflengte en polarisatietoestand.

In een nieuw artikel gepubliceerd inLight:Science &Applications , heeft een team van wetenschappers, onder leiding van Dr. Guanhai Li van het staatslaboratorium voor infraroodfysica, het Shanghai Institute of Technical Physics, China, en collega's een veelzijdige fotonische rekenliniaal voorgesteld op basis van een volledig silicium meta-oppervlak dat de gelijktijdige reconstructie van de frequentie en polarisatietoestand van invallende fotonen. Het meta-oppervlak maakt gebruik van zowel achromatisch focussende als azimutaal evoluerende fasen met topologische ladingen +1 en -1 om de confocale ringvormige intensiteitsverdelingen in het verre veld te verzekeren.

Geïnspireerd door conventionele rekenlinialen, die de rekenregels inbedden in de inherente evoluties van fysieke parameters, presenteert het team de fotonische rekenliniaal en demonstreert het prototype om de frequentie en polarisatietoestand van invallende fotonen te karakteriseren. Met een volledig siliconen metasurface-ontwerp komen verschillende golflengten en polarisatietoestanden overeen met verschillende faseprofielen, wat resulteert in de hoek-opgeloste focuspunten in het verre veld. Twee verschillende groepen meta-atomen zijn ontworpen om verschillende vortexbundeldragers en fasedispersies te hebben. Het hoek-opgeloste interferentiepatroon in het verre veld van twee groepen meta-atomen zorgt voor een gemakkelijk toegankelijke hervinding van de golflengte en de polarisatietoestand. Als analoog migreren ze met succes de rekenkundige logica van dispersieve fasen naar de inherente variatie van fotonische dimensies, frequentie en polarisatie met het volledig silicium meta-oppervlak.

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. + Verder verkennen

Cylindrical vector beam multiplexer/demultiplexer using off-axis polarization control