Por primera vez, Los investigadores han utilizado capas ultrafinas de estructuras bidimensionales conocidas como metasuperficies para crear hologramas que pueden medir la polarización de la luz. Los nuevos hologramas de metasuperficie podrían usarse para crear dispositivos muy rápidos y compactos para mediciones de polarización, que se utilizan en espectroscopia, aplicaciones de detección y comunicaciones.

Las metauperficies son elementos ópticos con características de nanoescala y un grosor total inferior a 1/50 del de un cabello humano. Pueden fabricarse con técnicas estándar de fabricación de microelectrónica, permitiendo la producción en masa, y se puede integrar fácilmente en sistemas ópticos a escala de obleas. A pesar de estas características prometedoras, todavía no se utilizan en muchas aplicaciones prácticas.

En Optica , la revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, Un grupo multiinstitucional de investigadores informa sobre el uso de hologramas de metasuperficie para determinar de manera rápida y efectiva la polarización en longitudes de onda del infrarrojo cercano a visible. El nuevo trabajo representa un paso hacia los dispositivos funcionales basados ​​en metasuperficies para admitir una variedad de aplicaciones, desde telecomunicaciones hasta análisis químico.

"Los hologramas hechos a partir de metasuperficies son una forma eficiente y eficaz de generar imágenes de alta calidad con una resolución de sublongitud de onda, "dijo el líder del equipo de investigación Xueqian Zhang de la Universidad de Tianjin, Porcelana. "Nuestro trabajo aplica exclusivamente hologramas de metasuperficie a las mediciones de polarización, lo que podría habilitar dispositivos del tamaño de una cámara que miden la polarización en un solo paso sin partes móviles ".

Medir la polarización directamente

Aunque la luz solar y la mayoría de las fuentes de luz domésticas emiten luz no polarizada que oscila en todas direcciones, Los componentes ópticos, como los filtros, se pueden utilizar para producir luz polarizada que se propaga en un solo plano, normalmente vertical u horizontal. Los instrumentos analíticos, como los espectrómetros, pueden medir cómo cambia la polarización de la luz después de interactuar con un material para determinar sus propiedades físicas. También se pueden usar diferentes polarizaciones de luz para enviar múltiples señales a través de fibras ópticas para aplicaciones de telecomunicaciones.

Los métodos convencionales para determinar la polarización a menudo requieren múltiples mediciones, configuraciones ópticas voluminosas o ajuste preciso de componentes ópticos de alta calidad para determinar indirectamente el estado de polarización. En el nuevo trabajo en cambio, los investigadores utilizaron una metasuperficie para determinar la polarización directamente comparando la amplitud y la fase de las ondas de luz que están polarizadas en ángulo recto con ellas mismas.

La metasuperficie genera dos imágenes holográficas superpuestas, uno con polarización circular para zurdos (LCP) y otro con polarización circular para diestros (RCP). La luz polarizada circularmente presenta un plano de oscilación de campo eléctrico que gira hacia la izquierda o hacia la derecha en un plano perpendicular a la dirección de la onda.

"Las imágenes superpuestas se pueden capturar de forma rápida y sencilla con una cámara CCD, "dijo Zhang.

"Al analizar la interferencia de las dos imágenes holográficas, podemos obtener el contraste de amplitud y la diferencia de fase entre los componentes LCP y RCP del haz incidente, identificando así el estado de polarización ".

La clave de la nueva técnica fue un algoritmo llamado Gerchberg-Saxton, que se utiliza ampliamente en la investigación holográfica. Los investigadores descubrieron cómo modificar este algoritmo para que pudiera usarse para identificar la diferencia de fase entre los componentes LCP y RCP de la luz incidente en las imágenes holográficas superpuestas.

Medidas de polarización efectivas

Los investigadores demostraron su nuevo enfoque holográfico de metasuperficie usándolo para medir los estados de polarización de los rayos de luz iluminadores con polarizaciones conocidas. Los estados de polarización medidos coincidían bien con los conocidos, confirmando la efectividad del enfoque. En el futuro, la metasuperficie podría incorporarse en el área fotosensible de una cámara para hacer un dispositivo compacto para medir la polarización.

La metasuperficie que utilizaron los investigadores se basa en el método de la fase Pancharatnam-Berry (también conocida como fase geométrica), que presenta respuestas de fase relativa que no exhiben ninguna dispersión. Esto permite que los hologramas de metasuperficie funcionen en una amplia gama de longitudes de onda.

"Nuestro método se puede extender a muchas aplicaciones potenciales que requieren medición de polarización, como la espectroscopia de polarización, detección y comunicaciones, ", dijo Zhang." La holografía codificada por polarización también podría usarse para la transmisión de información de seguridad porque solo un receptor que conozca los estados de polarización deseados podría decodificar la información de las imágenes holográficas finales ".

Ahora que han probado el concepto, los investigadores planean mejorar la eficiencia del método y compararán su desempeño con los instrumentos comerciales convencionales utilizados para medir la polarización.