面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科研進展

上海技物所等在中波紅外偏振操控超表面功能器件方面取得進展

2020-09-15 上海技術物理研究所
【字體:

語音播報

  中國科學院上海技術物理研究所与澳大利亚新南威尔士大学教授Andrey E. Miroshnichenko團隊合作,利用超表面對中波紅外光子偏振、相位和色散等維度的獨特操控能力,提出了一種可用于中波紅外偏振探測集成的高效多功能偏振-色散調制超構光子器件(如圖1),相關成果于9月12日以Mid-Infrared Polarization-Controlled Broadband Achromatic Metadevice爲題在線發表在《科學進展》(Science Advances上。
  透鏡是最簡單、最常見的光學元件,不論是在日常生活中的拍照手機、專業攝影的數碼相機,抑或是用于觀測宇宙起源、天體運行規律的天文望遠鏡,無一例外都需要借助透鏡來實現其精密而複雜的功能。傳統的光學元件幾乎都是通過機械研磨抛光來實現特殊的曲面構型,其存在體積和重量大、光子調控維度單一、難于集成等問題,其發展在航空航天等對體積、重量更爲敏感的領域受到嚴重制約。偏振探測是在傳統強度成像的基礎上通過提取特定偏振信息來抑制背景噪聲,對僞裝或虛假目標的探測與識別具有獨特的優勢。傳統的偏振探測系統是通過振幅分割、時間分割或者像素分割等方式利用分立式的偏振片、棱鏡和透鏡級聯的方法來進行偏振信息的獲取。這樣的光學系統通常體積和重量較大,同時不具備消色差功能,對寬波段偏振光電集成探測系統造成了限制。因此,發展應用于紅外寬波段的小型化、可集成的偏振-色散調制光學器件變得愈發迫切。超表面器件具有更輕薄、更緊湊的平面空間構型,更重要的是它可以在亞波長尺度對光子多個維度進行選擇性的操控,這給人們在具有重要應用背景的大氣窗口-中波紅外波段研究提供了機遇。

  本研究通过与硅基集成电路兼容的曝光和刻蚀工艺制作出一个比纸还要薄的“3D眼镜”,可对不同偏振态和不同颜色的光线进行聚焦、偏折、色散操作,性能和传统的由一系列级联透镜、棱镜、偏振片制作而成的光学系统相当。如圖A所示,在连续的设计带宽内,不同偏振态的光子经过超表面器件调制后将携带不同的轨道角动量信息,并被收集到设定的焦平面上。另外,通过在超表面器件的调制偏振-相位色散谱中引入离轴相位因子,对宽带光束实现了无色撒的定向聚束调控。由于偏振态的联合操控,在连续带宽内不同偏振态的入射光子也以高的偏振隔离度被收集汇聚到焦平面的不同设计区域(圖1B)。结果表明,聚焦光斑具有接近衍射极限的尺寸和高偏振选择比(圖1C, D)。该研究成果有望在宽谱偏振成像、自由空间量子通信、机器视觉以及信息加密等领域得到应用。

  上海技物所副研究员李冠海、研究员陈效双和Andrey E. Miroshnichenko为文章共同通讯作者。该研究得到了科学技术部重点研发计划量子调控和量子信息专项、国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会、中科院青年创新促进会和上海技物所创新计划等项目的支持。

  1A)多功能硅基超构表面的偏振调控宽带消色差聚焦涡旋光束产生示意圖。(B)不同偏振態下光斑中心橫向位移隨波長的變化曲線。(C)不同波長下測量的偏振消光比。(D)不同波長下聚焦光斑的半高寬和理論極限。 

打印 責任編輯:江澄

© 1996 - 中国科学院 版权所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864

电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(值班室)

编辑部郵箱:casweb@cashq.ac.cn