通过超表面波带片实现任意偏振到固定偏振转换

       偏振作为电磁波的固有属性，在信息处理、量子光学和偏振成像等领域具有广泛的应用。对于传统的光学器件，将非偏振光转换为特定的偏振波光依赖于线性偏振器和其他偏振器件的组合，这无疑增大了光学设备的体积。手性超表面的提出有效地减小了偏振器件的尺寸。手性超表面对于正交的圆偏振波具有不同的响应。以透射型超表面为例，当入射光波是左旋圆偏振态时，该超表面可以产生透射的右旋圆偏振波；而当入射光波是右旋旋圆偏振态时，其几乎不产生透射波。对于非偏振态的入射光波，该手性超表面可以产生特定的圆偏振波。

       此外，线偏振波在高分辨率成像中也起着重要作用。例如，通过独立调整每个纳米棒的方向角，可以获得几乎任意强度的线偏振光束操纵，这为成像或信息编码提供了另一种选择。因此，能够控制波前同时实现偏振操纵的超表面，可以进一步推动偏振器件的发展。

       近期，天津大学姚建铨院士团队和首都师范大学张岩教授团队合作，提出了一种通过超表面波带片实现任意偏振到固定偏振转换的方案。对于超表面波带片，奇数和偶数的环区由不同的元原子组成，且环的总数为偶数。当一个偏振光束入射至该超表面波带片后，响应于奇数和偶数环形区域的透射波聚焦在同一点上，并叠加产生固定的偏振波。

图1 (a) 线性偏振器的示意图；(b) x-LP入射下xz平面上的模拟结果；(c) 在y-LP照明下，xz平面上透射x-LP和y-LP分量的强度分布；(d) 在不同偏振入射下，焦平面上出射波的正交LP分量的强度分布

       为展示方案的可行性，该工作展示了两种偏振器件。第一个偏振器件为线偏振器，图1给出了其功能示意图。在各种类型偏振波入射下，该超表面波带片始终可以在空间的某一处产生聚焦的线偏振波。第二个器件为圆偏振器。当入射波的偏振态为线偏振、圆偏振和椭圆偏振时，透射波将聚焦于距离超表面波带片1.7 cm处，并且聚焦面上的光波是右旋圆偏振波（图2）。

图2 (a) 超表面波带片结构示意图；(b，c) CP入射下焦平面上交叉和同偏振分量的强度分布；(d) 模拟了LP和EP入射下焦平面的强度分布

       仿真和实测结果与理论预期一致，验证了所提出的概念是灵活可行的。这种策略可以有效地降低偏振器件的制作难度，并可能提高光学设备的通用性和集成度。

       该工作以“Terahertz metasurface zone plates with arbitrary polarizations to a fixed polarization conversion”为题发表在Opto-Electronic Science 2022年第3期。

论文来源：‍https://doi.org/10.29026/oes.2022.210014

内容来源：https://mp.weixin.qq.com/s/Iz7Ug014t-eMDPfEZSgRjg