Laser & Photonics Reviews:利用介质超构表面实现光的任意偏振态的产生和调控

偏振是光的一个重要性质,在民用、军事和科研领域有着广泛的应用。如何有效地调控光的偏振状态、获得高性能的偏振元件,是目前研究的重点和难点。传统的偏振元件主要是利用材料的双折射效应,如晶体中的双折射效应。当光在晶体里传播时,方向垂直的电场分量会产生一定的相位延迟,从而实现偏振态的转化和调控。所以传统的偏振元件一般有着特定的厚度,体积较大,与目前光子学领域的集成化和小型化的趋势不兼容。而超构表面可以在任意波段实现偏振转换,但是工作带宽和转换效率都有一定的限制。近年来,丁飞助理教授和Sergey I. Bozhevolnyi教授课题组通过研究金属/介质超构表面与光的相互作用规律,实现了若干调控光偏振态的超构表面器件。例如,利用间隙等离子体超构表面实现了集成半波片 [ACS Nano 9, 4111 (2015); Adv. Opt Mater. 7, 1900724 (2019);Nanophotonics 9, 371 (2020)] 和四分之一波片 [Adv. Opt. Mater. 7, 1801414 (2019); Nanoscale 12, 14106 (2020)] 功能的高效率器件。这些结果显示了超构表面对光偏振态的调控优势,相关结果可应用于集成光电子学和量子光学 [Adv. Mater. 32, 1907832 (2020)] 等多个领域。

传统的基于超构表面的偏振元件只能实现单一的偏振转化功能,例如线偏振转化为线偏振,或者线偏振转化为圆偏振,极大地限制了实际应用。该课题组和合作者针对这一问题,通过巧妙设计介质超构表面单元结构,创新性地实现了从光的线偏振态(水平/竖直线偏振)到光的任意偏振态的映射,给出了调控不同偏振态波前的一般性原理。相关成果发表在Laser & Photonics Reviews,并被选为封面文章(DOI: 10.1002/lpor.202000116)。

该课题组和合作者提出了不使用Pancharatnam-Berry相位的超构表面的设计理念,基于矩阵光学,利用介质超构表面设计了对偏振和相位同时且独立调控的单元结构,实现了从光的线偏振态(水平/竖直线偏振)到光的任意偏振态的映射,并能对任意偏振光的波前进行调控。该设计方案克服了Pancharatnam-Berry相位型超构表面依赖圆偏振的瓶颈,成功实现了线偏振光的激发。通过改变结构单元的尺寸和旋转角度,可以在水平/竖直线偏振光激发下同时实现六种偏振态(左旋偏振光,右旋偏振光,水平/竖直/45°/−45° 线偏振光)的产生和调控。同时,调整入射线偏振光的偏振角度,可以获得不同的椭圆偏振光。在此基础上,实验实现了不同偏振态的多光斑聚焦透镜和全矢量全息图。该类介质超构表面有望为信息编码、量子通信、量子计算和集成光学等领域提供高集成度、轻重量和高效率的解决方案。