Рисунок 1. (a) Обычная логарифмическая линейка (слева) приводится в действие механическим вращением и визуально считывается с помощью удобного размера. В качестве аналога показан сверхкомпактный прототип фотонного аналога (справа) на платформе метаповерхности. Метаустройство разработано с функцией частоты падения и состояния поляризации с различными фазами. Соответственно, в дальней зоне наблюдаются интерференционные пятна с угловым разрешением. (b) Конструкция метаустройства может быть разделена на две части: генерация вихрей и ахроматическая кольцевая фокусировка. Оба фазовых профиля зависят от частоты. В конструкции вихревого пучка фазы вращаются в противоположных направлениях и с разными угловыми скоростями с разными топологическими зарядами. (c) Интерференционная голография создает движущееся симметричное кольцо с распределением интенсивности, обозначенным фиолетовой кривой справа. В качестве примера для демонстрации используется распределение интенсивности на длине волны 3,75 мкм. (d) Захваченные изображения на разных частотах в одной и той же фокальной плоскости с левым круговым падением света. Кольцевое распределение интенсивности вращается с частотой падения. Авторы и права: Фейлун Юй, Цзинь Чен, Луцзюнь Хуан, Цзэнюэ Чжао, Цзюсу Ван, Ронг Джин, Цзянь Чен, Цзянь Ван, Андрей Е. Мирошниченко, Тяньсинь Ли, Гуаньхай Ли, Сяошуан Чен и Вэй Лу. Кольцевое распределение интенсивности вращается с частотой падения. Авторы и права: Фейлун Юй, Цзинь Чен, Луцзюнь Хуан, Цзэнюэ Чжао, Цзюсу Ван, Ронг Джин, Цзянь Чен, Цзянь Ван, Андрей Е. Мирошниченко, Тяньсинь Ли, Гуаньхай Ли, Сяошуан Чен и Вэй Лу. Кольцевое распределение интенсивности вращается с частотой падения. Авторы и права: Фейлун Юй, Цзинь Чен, Луцзюнь Хуан, Цзэнюэ Чжао, Цзюсу Ван, Ронг Джин, Цзянь Чен, Цзянь Ван, Андрей Е. Мирошниченко, Тяньсинь Ли, Гуаньхай Ли, Сяошуан Чен и Вэй Лу.

Средневолновой инфракрасный диапазон (MWIR) — это уникальный режим с различными потенциальными приложениями для обнаружения отпечатков пальцев. Это также одно из трех атмосферных окон передачи, которое демонстрирует значительные возможности в области ночного видения при слабом освещении и связи в открытом космосе. Точное обнаружение неизвестных фотонов в этом диапазоне играет незаменимую роль в аэронавтике и космонавтике. Однако при использовании традиционной громоздкой измерительной установки с множеством каскадных оптических элементов или устройств на основе метаповерхностей они ограничены ограниченной продольной дисперсией и отсутствием одновременного разрешения длины волны и состояния поляризации.

В новой статье, опубликованной в журнале Light: Science & Applications, группа ученых во главе с доктором Гуаньхай Ли из ключевой государственной лаборатории инфракрасной физики Шанхайского института технической физики, Китай, и его коллеги предложили универсальный фотонный слайд правило, основанное на полностью кремниевой метаповерхности, которая позволяет одновременно восстанавливать частоту падающих фотонов и состояние поляризации. Метаповерхность использует как ахроматически фокусирующие, так и азимутально развивающиеся фазы с топологическими зарядами +1 и -1 для обеспечения конфокального кольцевого распределения интенсивности в дальней зоне.

Вдохновленные обычными логарифмическими линейками, которые встраивают правила вычислений в неотъемлемую эволюцию физических параметров, команда представляет фотонную логарифмическую линейку и демонстрирует прототип для характеристики частоты падающих фотонов и состояния поляризации. В конструкции метаповерхности, полностью состоящей из кремния, разные длины волн и состояния поляризации соответствуют разным фазовым профилям, что приводит к появлению фокусных пятен с угловым разрешением в дальней зоне. Две отдельные группы метаатомов имеют разные носители вихревого пучка и фазовые дисперсии. Интерференционная картина с угловым разрешением в дальнем поле двух групп метаатомов обеспечивает легкодоступный поиск длины волны и состояния поляризации.

Рис. 2. Захваченные изображения в фокальной плоскости на разных частотах при падении с левой и правой круговой поляризацией. Внутреннее и внешнее кольца соответственно осветляются в зависимости от состояния падающей поляризации. Авторы и права: Фейлун Юй, Цзинь Чен, Луцзюнь Хуан, Цзэнюэ Чжао, Цзюсу Ван, Ронг Джин, Цзянь Чен, Цзянь Ван, Андрей Е. Мирошниченко, Тяньсинь Ли, Гуаньхай Ли, Сяошуан Чен и Вэй Лу.

Исследовательская группа выбрала метаатомы с разными поляризационными откликами и организовала пространственное мультиплексирование для дальнейшего построения вторичного отображения неизвестной информации о поляризации фотонов в фокальной плоскости. С помощью этой обработки они добились одновременного определения частоты и состояния поляризации неизвестного падающего фотона. Как показано на рисунке 2, углы поворота внутреннего и внешнего колец определяют частоту падающего фотона, в то время как информация о поляризации падающего фотона может быть непосредственно получена из положения фокусирующих пятен. Внутреннее кольцо соответствует состоянию левой круговой поляризации, а внешнее кольцо — состоянию правой круговой поляризации.

Наконец, с помощью теоретического анализа, численного моделирования и экспериментальных измерений исследовательская группа подтвердила, что фотонная логарифмическая линейка на основе метаповерхности может эффективно преодолеть ограничения традиционных устройств из объемного материала в рабочем пространстве, особенно осевое расстояние, и реализовала новую схему ультра - компактная и высокоинтегрированная характеристика неизвестной длины волны фотонов и состояния поляризации. Эта работа представляет собой аналог обычной логарифмической линейки для гибкой характеристики фотонов ультракомпактным и многофункциональным способом и может найти применение в интегральных оптических схемах или карманных устройствах.

Д-р Ю Фэйлун и д-р Чэнь Цзинь являются соавторами этой статьи, а д-р Ли Гуаньхай является соответствующим автором. проф. Чэнь Сяошуан и Лу Вэй дали важные инструкции по этой работе.