Regla de cálculo fotónica:resolución simultánea de longitud de onda y estado de polarización

Figura 1. (a) La regla de cálculo convencional (izquierda) funciona mediante rotación mecánica y se lee visualmente con un tamaño fácil de usar. Como análogo, se muestra un prototipo ultracompacto de la contraparte fotónica (derecha) basado en la plataforma de metasuperficie. El metadispositivo está diseñado con la función de frecuencia incidente y estado de polarización con fases variables. En consecuencia, se observan puntos interferidos resueltos en ángulo en el campo lejano. (b) El diseño del metadispositivo se puede desacoplar en dos partes:generación de vórtices y enfoque anular acromático. Ambos perfiles de fase dependen de la frecuencia. En el diseño de haz de vórtice, las fases giran en direcciones opuestas ya distintas velocidades angulares con diferentes cargas topológicas. (c) La holografía de interferencia genera un anillo simétrico en movimiento con una distribución de intensidad indicada como la curva púrpura a la derecha. Como representante, la distribución de intensidad a una longitud de onda de 3,75 μm es para demostración. ( d ) Las imágenes capturadas a diferentes frecuencias en el mismo plano focal con incidencia de luz circular izquierda. La distribución de intensidad anular gira con la frecuencia incidente. Crédito:Feilong Yu, Jin Chen, Lujun Huang, Zengyue Zhao, Jiuxu Wang, Rong Jin, Jian Chen, Jian Wang, Andrey E Miroshnichenko, Tianxin Li, Guanhai Li, Xiaoshuang Chen y Wei Lu

El infrarrojo de longitud de onda media (MWIR) es un régimen único con varias aplicaciones potenciales en la detección de huellas dactilares. También es una de las tres ventanas de transmisión atmosférica que muestra posibilidades significativas en la visión nocturna con poca luz y las comunicaciones en el espacio libre. La detección precisa de fotones desconocidos en esta banda juega un papel indispensable en las aplicaciones aeronáuticas y astronáuticas. Sin embargo, con la configuración de medición voluminosa convencional con muchos elementos ópticos en cascada o dispositivos basados en metasuperficies, están limitados por la dispersión longitudinal restringida y la falta de resolución simultánea de la longitud de onda y el estado de polarización.

En un nuevo artículo publicado en Light:Science &Applications , un equipo de científicos, dirigido por el Dr. Guanhai Li del laboratorio estatal clave de física infrarroja, Instituto de Física Técnica de Shanghái, China, y colaboradores han propuesto una regla de cálculo fotónica versátil basada en una metasuperficie totalmente de silicio que permite la reconstrucción simultánea de la frecuencia y el estado de polarización de los fotones incidentes. La metasuperficie aprovecha tanto el enfoque acromático como las fases de evolución azimutal con cargas topológicas +1 y -1 para garantizar las distribuciones de intensidad anular confocal en el campo lejano.

Inspirándose en las reglas de cálculo convencionales, que integran las reglas de cálculo en las evoluciones inherentes de los parámetros físicos, el equipo presenta la regla de cálculo fotónica y demuestra el prototipo para caracterizar la frecuencia y el estado de polarización de los fotones incidentes. Con un diseño de metasuperficie totalmente de silicio, diferentes longitudes de onda y estados de polarización corresponden a diferentes perfiles de fase, lo que da como resultado puntos de enfoque resueltos en ángulo en el campo lejano. Dos grupos distintos de metaátomos están diseñados para tener diferentes portadores de haz de vórtice y dispersiones de fase. El patrón de interferencia resuelto en ángulo en el campo lejano de dos grupos de metaátomos proporciona una recuperación de fácil acceso de la longitud de onda y el estado de polarización. Como analogía, migran con éxito la lógica aritmética de las fases dispersivas a la variación inherente de las dimensiones fotónicas:frecuencia y polarización con la metasuperficie totalmente de silicio.

Figura 2. Las imágenes capturadas en el plano focal a diferentes frecuencias bajo incidencia de polarización circular izquierda y derecha. Los anillos interior y exterior se aclaran respectivamente en función del estado de polarización incidente. Credit:Feilong Yu, Jin Chen, Lujun Huang, Zengyue Zhao, Jiuxu Wang, Rong Jin, Jian Chen, Jian Wang, Andrey E Miroshnichenko, Tianxin Li, Guanhai Li, Xiaoshuang Chen and Wei Lu

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. + Explora más