中红外光下的多色全偏振控制

b. 在基于几何相位控制的传统工作中，元原子的不同旋转角度θ代表不同的特征偏振态（EPS）。在Poincaré球体中，EPS是由前行轴OQ表示的。庞加莱球体中的弧线表示偏振转换路径，其长度L决定了相移φL。 c. 波长解耦相干像素的示意图。该结构由四个普通的元原子组成，其尺寸和方向可以调整。有了这种配置，不同波长的非传统相位响应可以同时独立利用，从而在任何指定的偏振态通道上实现所需功能。元原子的共同几何参数是：高度6微米，周期1.55微米。d. 一个有代表性的元装置的示意图，该装置将三个离散波长（3、3.6和4.5微米）的入射光线消色地聚焦到六边形的两个相对的顶点上--每个顶点都有一对任意选择的正交偏振。资料来源：陈进、余飞龙、刘兴思、鲍彦军、陈荣生、赵增月、万久旭、王秀霞、刘文、史玉柱、邱成伟、陈小双、卢伟和李广海。

中波长红外（MWIR）作为最重要的透明大气窗之一，对太阳背景发射的干扰不太敏感，为各种材料的指纹光谱提供了一个高透射区，并实现了空间和地面之间的通信渠道。光子的基本特征、波长、偏振及其测量在几乎所有的科学领域和遥感技术中都有很大的意义。然而，各种偏振和波长通道之间的串扰妨碍了在高信噪比下进行准确的中红外探测。

在《光》杂志上发表的一篇新论文中： 科学与应用》上发表的一篇新论文中，由上海技术物理研究所的李冠海博士和新加坡国立大学的邱成伟博士领导的科学家团队提出了分散的琼斯矩阵方法，即在全硅元表面的基础上构建波长解耦的相干像素。在没有空间或时间成本和串扰的情况下，这种方法能够在预定的离散波长上对任何需要的正交偏振通道进行独立的相位操作。

图1显示了卫星或飞机携带的机载有效载荷在低照度背景下捕捉地面目标[汽车（λ1，P1）、人（λ2，P2）和模型（λ3，P3）]精细特征的典型场景。为了获得不同波长和偏振的信息，已经探索了具有级联元件的传统光学系统，通过旋转离散的过滤器/偏振器或分割检测焦平面阵列来分别获得光谱或偏振信息。这些配置存在笨重和冗余的体积，光子的收集效率低等问题。更重要的是，它们是以降低空间或时间分辨率为代价实现的。

图2. a. 从不同角度看多色全偏振元表面的SEM图像。该元器件是在500μm厚的双抛光硅片上制造的。 b. 对设计的元器件进行进化算法优化过程后的优点函数值。密度代表达到相应优化值的元原子的百分比。最大的优点值24源于一个超级单元中的六个通道偏振态和四个元原子。 c. 指定的五对独立的正交偏振态对应的五个波长也被描绘在Poincaré球中。 d. 在选定的五个波长上不同偏振态的焦平面上的聚焦点分布。插图显示了相应的偏振状态。资料来源：陈进、余飞龙、刘兴思、鲍彦军、陈荣生、赵增月、万久旭、王秀霞、刘文、史玉柱、邱成伟、陈小双、卢伟和李广海。

在操纵多个光子维度（如波长、偏振和相位）方面，能够实现多功能纳米级光控制的元表面，在以易于集成和多功能的方式取代冗余和复杂的系统方面显示出巨大潜力。然而，对于传统的元原子来说，其调制路径受到几何对称方向的限制。

为了打破不同波长偏振操作所固有的特征偏振约束，该小组提出了一种分散的琼斯矩阵方法，用四个全硅元原子构建波长解耦的相干像素。为了确保超级单元在所有三个波长和六个偏振通道的高性能，超级单元的周期性几何参数通过粒子群遗传算法进行了优化，从而实现了多波长维度的任意偏振调制。
联合研究小组准备了一个有代表性的多色全偏振控制元装置，并演示了在三个波长的空间分离通道上，在三对任意选择的正交偏振上产生消色聚焦光斑。它模仿了传统设置中平行放置的级联滤波器、偏振器和波板的功能。

在三个波长上的三对不同的正交偏振状态是3.0微米的线性偏振，3.6微米的椭圆形偏振（椭圆角30°）和4.5微米的圆形偏振。虽然该方法是基于波长解耦的相干像素，每个像素只有四个传统的线性EPS元原子，但它仍然可以在多个波长下工作，而且偏振态的形式是任意的。作为一个例子，如图2所示，实现了一个十通道的元器件。所选的五对正交偏振态显示在Poincaré球体中，这与设计很吻合。

联合研究小组通过理论分析、模拟和实验测量证明了特征极化工程。它以超紧凑和集成的方式将偏振应用从科学研究拓宽到工业领域，否则就需要各种级联元件并行。

参考资料：Jin Chen et al, Polychromatic full-polarization control in mid-infrared light, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01140-3