Regra de cálculo fotônica:resolução simultânea de comprimento de onda e estado de polarização

Figura 1. (a) A régua de cálculo convencional (esquerda) é acionada por rotação mecânica e lida visualmente com um tamanho fácil de usar. Como um análogo, um protótipo ultracompacto da contraparte fotônica (direita) baseado na plataforma de metasuperfície é mostrado. O metadispositivo é projetado com a função de frequência de incidente e estado de polarização com fases variadas. Correspondentemente, os pontos de interferência de resolução angular são observados no campo distante. (b) O projeto do metadispositivo pode ser desacoplado em duas partes:geração de vórtices e focalização anular acromática. Ambos os perfis de fase dependem da frequência. No projeto de feixe de vórtice, as fases giram em direções opostas e em velocidades angulares distintas com diferentes cargas topológicas. (c) A holografia de interferência gera um anel simétrico móvel com distribuição de intensidade indicada como a curva roxa à direita. Como representante, a distribuição de intensidade no comprimento de onda de 3,75 μm é para demonstração. (d) As imagens capturadas em diferentes frequências no mesmo plano focal com incidência de luz circular à esquerda. A distribuição de intensidade anular gira com a frequência 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 e Wei Lu

O infravermelho de comprimento de onda médio (MWIR) é um regime único com várias aplicações potenciais em detecções de impressões digitais. É também uma das três janelas de transmissão atmosférica que mostra possibilidades significativas em visão noturna de baixo nível de luz e comunicações no espaço livre. A detecção precisa de fótons desconhecidos nesta faixa desempenha um papel indispensável em aplicações aeronáuticas e astronáuticas. No entanto, com a configuração de medição volumosa convencional com muitos elementos ópticos em cascata ou dispositivos baseados em metasuperfície, eles são limitados pela dispersão longitudinal restrita e pela falta de resolução simultânea de comprimento de onda e estado de polarização.
Em um novo artigo publicado em Light:Science &Applications , uma equipe de cientistas, liderada pelo Dr. Guanhai Li do laboratório-chave do estado de física infravermelha, Instituto de Física Técnica de Xangai, China, e colaboradores propuseram uma régua de cálculo fotônica versátil baseada em uma metasuperfície de silício que permite a reconstrução simultânea da frequência dos fótons incidentes e do estado de polarização. A metasuperfície aproveita as fases de focagem acromática e evolução azimutal com cargas topológicas +1 e -1 para garantir as distribuições de intensidade anular confocal no campo distante.

Inspirada nas réguas de cálculo convencionais, que incorporam as regras de computação nas evoluções inerentes dos parâmetros físicos, a equipe apresenta a régua de cálculo fotônica e demonstra o protótipo para caracterizar a frequência e o estado de polarização dos fótons incidentes. Com um design de metasuperfície totalmente em silício, diferentes comprimentos de onda e estados de polarização correspondem a diferentes perfis de fase, resultando em pontos de focagem com resolução angular no campo distante. Dois grupos distintos de meta-átomos são projetados para ter diferentes portadores de feixe de vórtice e dispersões de fase. O padrão de interferência de resolução angular no campo distante de dois grupos de metaátomos fornece uma recuperação de fácil acesso do comprimento de onda e do estado de polarização. Como um análogo, eles migram com sucesso a lógica aritmética das fases dispersivas para a variação inerente das dimensões fotônicas - frequência e polarização com a metasuperfície de silício.

Figura 2. As imagens capturadas no plano focal em diferentes frequências sob incidência de polarização circular esquerda e direita. Os anéis interno e externo são respectivamente iluminados em função do estado de polarização 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 e 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. + Explorar mais