中波紅外(MWIR)作為最重要的透明大氣窗口之一，對(duì)太陽(yáng)背景輻射的干擾不太敏感，為各種材料的指紋光譜提供了高透射區(qū)，并實(shí)現(xiàn)了之間的通信通道空間和地面。光子、波長(zhǎng)、偏振及其測(cè)量的基本特征在幾乎所有科學(xué)領(lǐng)域和遙感技術(shù)中都引起了極大的興趣。然而，各種偏振和波長(zhǎng)通道之間的串?dāng)_阻礙了在高信噪比下進(jìn)行準(zhǔn)確的中紅外檢測(cè)。
在Light:Science&Applications上發(fā)表的一篇新論文中，由上海技術(shù)物理研究所的李冠海博士和新加坡國(guó)立大學(xué)的Cheng-weiQiu博士領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家提出了分散瓊斯矩陣方法，通過(guò)構(gòu)建基于全硅超表面的波長(zhǎng)解耦相干像素。在沒(méi)有空間或時(shí)間成本和串?dāng)_的情況下，該方法可以在預(yù)定義的離散波長(zhǎng)下對(duì)任何所需的正交偏振通道進(jìn)行獨(dú)立的相位操作。
衛(wèi)星或飛機(jī)攜帶的機(jī)載有效載荷捕獲地面目標(biāo)[汽車(λ1,P1)、人(λ2,P2)和模型(λ3,P3)的精細(xì)特征的典型場(chǎng)景)]在低照度背景下如圖1所示。為了從不同的波長(zhǎng)和偏振中獲取信息，已經(jīng)探索了具有級(jí)聯(lián)元件的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)旋轉(zhuǎn)分立濾光片/偏振器或分割檢測(cè)焦平面陣列。這些配置存在體積龐大和冗余、光子收集效率低等問(wèn)題。更重要的是，它們的實(shí)現(xiàn)是以降低空間或時(shí)間分辨率為代價(jià)的。
能夠在操縱多個(gè)光子維度(例如波長(zhǎng)、偏振和相位)時(shí)實(shí)現(xiàn)多功能納米級(jí)光控制的超表面，已經(jīng)充分顯示出以易于集成和多功能的方式取代冗余和復(fù)雜系統(tǒng)的巨大潛力。然而，調(diào)制路徑受限于傳統(tǒng)元原子的幾何對(duì)稱方向。
為了打破不同波長(zhǎng)偏振操作固有的本征偏振約束，該小組提出了一種色散瓊斯矩陣方法，通過(guò)用四個(gè)全硅元原子構(gòu)建波長(zhǎng)解耦的相干像素。為了確保超級(jí)電池在所有三個(gè)波長(zhǎng)和六個(gè)偏振通道上的高性能，通過(guò)粒子群遺傳算法優(yōu)化超級(jí)電池的周期幾何參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)維度的任意偏振調(diào)制。
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備了一個(gè)具有代表性的多色全偏振控制元器件，并展示了在三個(gè)波長(zhǎng)的空間分離通道上通過(guò)三對(duì)任意選擇的正交偏振產(chǎn)生消色差聚焦點(diǎn)。它模仿了在傳統(tǒng)設(shè)置中并聯(lián)放置的級(jí)聯(lián)濾波器、偏振器和波片的功能。
三個(gè)波長(zhǎng)下的三對(duì)不同的正交偏振態(tài)是3.0μm的線性偏振、3.6μm的橢圓偏振(橢圓角30°)和4.5μm的圓偏振。雖然該方法基于波長(zhǎng)解耦的相干像素，每個(gè)像素只有四個(gè)傳統(tǒng)的線性EPS元原子，但它仍然適用于多個(gè)波長(zhǎng)并且偏振態(tài)的形式是任意的。例如，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)十通道元器件，如圖2所示。選定的五對(duì)正交偏振態(tài)顯示在龐加萊球中，這與設(shè)計(jì)非常吻合。
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論分析、模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明了本征極化工程。它以超緊湊和集成的方式將偏振應(yīng)用從科學(xué)研究擴(kuò)展到工業(yè)，否則需要并聯(lián)各種級(jí)聯(lián)元件。
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