Light: 基于任意椭振态二向色性超构表面的全庞加莱球起偏器

图片来源：Light: Science & Applications

撰稿 | 王 帅

对光束偏振态的调节往往基于材料的双折射现象，即通过调节正交偏振光之间的相位差使其叠加为任意的偏振态。基于该方法产生的偏振态受到入射光偏振态的强烈影响，往往需要借助额外的偏振器件例如偏振片或波片对入射光场的偏振进行限制。近日，暨南大学光子技术研究院海外英才创新团队与哈尔滨工业大学（深圳）、南开大学研究组合作，提出了一种基于任意偏振二向色性的任意偏振态起偏器件，该器件工作时选择性地允许特定的偏振态通过并转化为手性相反的偏振态，其正交的偏振态将被完全被阻止通过。该器件具有完美的工作性能，仿真模拟上任意偏振态二向色性参数可达到100%，实验上也获得了高于90%的结果。由于该器件具有优异的二向色性性能，使得出射光的偏振不受入射光偏振态的限制，赋予该器件工作在非偏振光下的能力。

偏振作为光场的重要性质之一，在光与物质相互作用中扮演者重要的角色，对偏振的调制在成像、数据存储、光传感和光通信等领域有着重要的应用。线偏振片是一种可以过滤入射光中的垂直偏振片光轴振动分量的光学器件，其在偏振产生和操控领域具有重要的作用。然而对于位于庞加莱球上的任意偏振态的产生，通常需要串联线偏振片和波片等多个偏振器件，最终导致任意偏振态产生器件体积较大，偏离了集成光学中小尺寸器件的设计目标。

在光学超构表面的研究中，超构表面对散射光波偏振的调制通常是基于各向异性结构对偏振态的响应，将特定的入射光偏振光分解为正交的线偏振态，正交的线偏振态通过各向异性结构之后携带了不同的延迟相位，叠加为其他的偏振态。调整各向异性纳米结构参数可以对正交线偏振光施加不同的振幅与相位，进而对偏振态进行调制。基于该方法产生的偏振态受到入射光偏振态的强烈影响，导致该方法难以工作在非偏振光下。基于二向色性制作的偏振片可以克服上述超构表面产生的偏振态对入射偏振态的依赖。

近些年来，具有圆偏振二向色性的手性结构被陆续提出，例如金属螺旋线的3D结构以及鱼状、非对称分离环、L型和Z型的平面手性结构。不同于3D结构的圆偏振态二向色性，平面手性结构的圆偏振态二向色性表现为选择性地允许一种圆偏振态通过并且转化为手性相反的圆偏振态，而其正交圆偏振态被阻止透过，该现象被称为圆偏振转化二向色性，赋予了平面手性结构作为圆偏振态起偏器件的潜力。但是偏振态中更一般情况的椭圆偏振起偏器件依然空缺，如何设计一种不受入射光偏振影响的任意椭偏态起偏器件成为了一个亟待解决的问题。

在文章中，研究者开发了具有任意椭偏态二向色性的双原子超构表面，该超构表面产生的偏振态不受入射光偏振态影响，甚至可以工作在非偏振光下。该工作以平面结构的琼斯矩阵出发，利用坐标系变换严格地推导出任意偏振态二向色性的琼斯矩阵以及对应的超构表面的双原子排布方式，如图1a所示，通过设置双原子纳米柱的结构参数以及面内转角可以调节超构表面的琼斯矩阵中的元素，琼斯矩阵是表征入射光偏振态在与超构表面相互作用时偏振转化与透射情况的一种方式。针对位于庞加莱球上的红星和蓝星表示的一对正交入射偏振态（α和β）（图1b），分别用红色和蓝色椭圆箭头表示，通过合适地选择结构参数，可以让偏振态α透过，并转化为其手性相反的偏振态，其位于在庞加莱球上的红点α*，与入射光偏振态α关于赤道面对称，由红色虚线箭头所示。然而，对于入射偏振态β，超构表面将完全阻止其透过。

图1 a基于任意椭偏态二向色性超构表面的全庞加莱球起偏器工作示意图， b调控的偏振态在庞加莱球上偏振态的分布图，c描述偏振转化情况的琼斯矩阵中各个分量与二向色性参量谱线， d不同入射光照射下出射光偏振态情况

琼斯矩阵中用于表示偏振转化和透射情况各个元素分量如曲线图1c所示，可以发现偏振态α高效率地转化为其手性相反的偏振态α*，而其余三个分量被完全抑制。此外，偏振态α和β的透过率之差与之和的比例定义为偏振二向色性（PD）参量，即PD = （T_α-T_β）/（T_α+T_β），工作在设计波长633nm时，PD参量接近100%，这表明所设计的超构表面具有完美的工作性能，并且可以被用作为产生特定偏振态的起偏器件。在不同偏振照射下的具体情况如图1d所示，红色箭头表示入射光的偏振态，蓝色箭头表示透射光的偏振态，柱状图表示相应的透射率，改变入射光的偏振态，透射率存在变化，但透射光的偏振态保持不变，这表明透射光的偏振态与入射偏振态无关。透射率随波长的变化是由于入射光在偏振态α上的分量变化导致。

图2 a实验光路图，b-d 椭圆偏振态、线偏振态及圆偏振态二向色性的双原子超构表面工作在非偏振照射光下的出射光偏振情况

在实验上采取了LED发光二极管作为非偏振态的光源，利用LED发光二极管照射所设计的双原子超构表面，利用1/4 波片和线偏振片的组合对出射光的斯托克斯参量进行测量，进而得到出射光的偏振态度（DOP）与偏振态情况，实验光路图如2a所示。LED发光二极管光源分别照射椭圆偏振态、线偏振态以及圆偏振态二向色性的双原子超构表面时，出射光的偏振度谱线（DOP）分别由图2b-d表示。在设计波长633 nm处出射光偏振态的模拟和实验结果分别由绿色和红色箭头表示，分别为椭圆偏振态、线偏振态以及近似圆偏振态。该结果表明，基于二向色性的双原子超构表面可以在非偏振光照射下产生任意的偏振态，包括椭圆偏振态、圆偏振态以及线偏振态。

该工作的设计方案为偏振超构表面的设计与研发提供了一种便捷的平台。不受入射光偏振影响的任意偏振起偏器件有望拓展并推动新型纳米光子器件的应用前景。

暨南大学光子技术研究院博士生王帅、副教授邓子岚以及哈尔滨工业大学（深圳）博士生王雨杰为文章的共同第一作者，通讯作者为邓子岚副教授、肖淑敏教授以及李向平教授。合作者包括南开大学的王晓雷教授等。