Métalènes multi-foyers pour la reconnaissance et la reconstruction des spectres et de l'ellipticité de polarisation

04 avril 2023 (Actualités Nanowerk) Une nouvelle publication de Science opto-électronique (« Métalens multifoyers pour la reconnaissance et la reconstruction des spectres et de l'ellipticité de polarisation ») considère les métalènes multi-foyers pour la reconnaissance et la reconstruction des spectres et de l'ellipticité de polarisation. En tant que propriétés fondamentales de la lumière, les spectres et la polarisation sont porteurs d'informations vitales concernant la propagation des ondes lumineuses. Par exemple, l'imagerie spectrale peut refléter la composition matérielle des objets, tandis que l'imagerie polarisée contient des informations sur la texture de la surface, la polarisation de la lumière et/ou la distribution spatiale des propriétés optiques d'une scène. En raison des informations cruciales fournies par la longueur d'onde et la polarisation de la lumière, les technologies d'imagerie multispectrale et polarisée présentent un intérêt considérable dans divers domaines scientifiques et technologiques, notamment l'archéologie, la biologie, la télédétection et l'astronomie. Les dispositifs d'imagerie multispectrale et de polarisation conventionnels sont basés sur des filtres et des analyseurs de polarisation, qui nécessitent généralement de prendre plusieurs prises de vue pour collecter les informations optiques souhaitées et se composent de systèmes multipasses volumineux ou de pièces mécaniques mobiles et sont difficiles à intégrer dans des systèmes optiques compacts et intégrés. Fig. 1. Conception des spectres et de l'ellipticité de polarisation des métalens multi-foyers résolus. (Image : Compuscript) Métasurfaces qui permettent un contrôle total des propriétés de la lumière, telles que les phases, les amplitudes et les états de polarisation, ont été démontrés. En tant que dispositifs optiques bidimensionnels constitués de nanostructures inférieures à la longueur d'onde, les métasurfaces conviennent à la conception de systèmes intégrés. Aujourd'hui, les métasurfaces ont été utilisées dans de nombreux types de dispositifs optiques fonctionnels, tels que les écrans optiques, les dispositifs de moment cinétique orbital, les séparateurs de faisceau, les éléments de méta-holographie et l'imagerie en champ lumineux. Pour réaliser des conceptions intégrées et compactes, des éléments de métasurface ont été utilisés dans des systèmes optiques de polarisation et multispectraux. Cependant, il reste un manque de dispositifs métalens capables d'atteindre simultanément des fonctionnalités résolues en spectre et en polarisation tout en conservant de bonnes performances d'imagerie avec une grande ouverture numérique (NA). Sur le plan technique, bien qu'au moins trois projections soient nécessaires pour déterminer l'état de polarisation, la longitude de la sphère de Poincaré (également exprimée en ellipticité de polarisation) peut également refléter une information abondante de la scène. Les groupes de recherche du professeur Wei Xiong, du professeur Jinsong Xia et du professeur Hui Gao de l'Université des sciences et technologies de Huazhong ont proposé une méthodologie SPMM (spectra et ellipticité de polarisation résolue multi-foyers métalliques) pour réaliser l'ellipticité de spectre et de polarisation. imagerie résolue sans l'exigence de pièces mobiles ou d'optiques spectrales et de polarisation encombrantes. Fig. 2. Imagerie multispectrale et polarisée à l'aide du SPMM avec source laser. (Image : Compuscript) Contrairement aux systèmes d'imagerie multispectrale ou de polarisation courants précédemment démontrés, le SPMM peut collecter les informations optiques souhaitées en une seule prise de vue grâce à ses douze images dépendantes du spectre et de la polarisation à différents endroits, ce qui simplifie le processus de collecte optique. information. Dans cette conception SPMM, les positions et les intensités des foyers/images sur le plan focal/d'imagerie peuvent être modifiées en ajustant l'ellipticité de polarisation et/ou les spectres des faisceaux lumineux incidents. Par conséquent, le dispositif SPMM tel que développé possède à la fois des capacités de détection et de reconstruction d'ellipticité de polarisation spécifique et de longueurs d'onde discrètes (ou bandes spectrales) tout en conservant les fonctions normales des métalènes telles que la focalisation et l'imagerie. Et le SPMM a une conception d'ouverture de partage qui possède des performances d'imagerie supérieures en raison de la plus grande NA que celle de la conception de réseau de micro-métallènes comme indiqué avec la même taille de fabrication et la même distance focale. Des démonstrations expérimentales du SPMM sont effectuées avec une lumière cohérente et incohérente pour prouver son applicabilité générale. La lumière des objets imagés contient des informations riches associées à plusieurs longueurs d'onde et à l'ellipticité de polarisation, qui sont généralement perdues ou ignorées dans les méthodes d'imagerie traditionnelles basées sur l'intensité. Pour résoudre ce problème, le SPMM génère douze foyers ou images à différentes positions, qui correspondent à six bandes de spectres et à deux états de polarisation circulaire orthogonale. En outre, les spectres et l'ellipticité de polarisation (linéaire, elliptique ou circulaire) relatifs à des zones d'objet spécifiques peuvent être résolus et reconstruits en identifiant les positions de focalisation/imagerie et les intensités relatives correspondantes. Fig. 3. Imagerie multispectrale et polarisée à l'aide du SPMM avec des faisceaux de lumière blanche ordinaires. (Image : Compuscript) La conception et le mécanisme physique du SPMM sont basés sur les principes de la phase géométrique et de l'holographie. Pour réaliser un métalène à dispersion transversale, les distributions de phase de plusieurs lentilles qui possèdent différentes longueurs d'onde de travail avec des foyers correspondants à différentes positions peuvent être codées sur un seul élément de métasurface par le principe d'holographie. La conception des métalènes dépendant de la polarisation peut être obtenue en additionnant ces deux résultats de produit Hadamard. La position focale de ce métalène peut être commutée en changeant la polarisation du faisceau lumineux incident. Par conséquent, un SPMM avec douze foyers peut être obtenu en combinant de manière aléatoire deux métalens à dispersion transversale en un seul élément de métasurface, comme illustré à la Fig. grâce à la démonstration de l'imagerie SPMM avec des sources de lumière cohérentes ordinaires (Fig.1) et incohérentes (Fig.2), ce travail a montré son potentiel pratique pour la construction de dispositifs d'imagerie multispectrale et polarisée ultra-compacts sans avoir besoin d'un conception multi-passage utilisant des filtres spectraux complexes ou des pièces mécaniques mobiles. De plus, ce concept SPMM peut être étendu à la reconstruction de points arbitraires avec à la fois la longitude et la latitude sur la sphère de Poincaré et obtenir une partition beaucoup plus fine des bandes spectrales via une conception améliorée des métalens et des techniques de nanofabrication.

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