研究背景

中波紅外（MWIR）作為“分子指紋”密集區(qū)，不僅包含了眾多重要的分子振動(dòng)特征吸收峰，還是紅外波段的三個(gè)大氣傳輸窗口之一，在氣體檢測、航天遙感、空間通信、紅外對(duì)抗等應(yīng)用中發(fā)揮著不可替代的作用。

對(duì)中波紅外光子波長和偏振等維度的解析是對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測與識(shí)別的重要手段。傳統(tǒng)方法通常需要借助級(jí)聯(lián)多個(gè)光學(xué)元件，通過分時(shí)間或分空間的方法來完成，這些方案都具有較大的體積、質(zhì)量與功耗，調(diào)諧響應(yīng)速度較慢，同時(shí)大量運(yùn)動(dòng)部件的存在導(dǎo)致器件對(duì)溫度、濕度、振動(dòng)等環(huán)境穩(wěn)定性要求較高，不利于系統(tǒng)集成與在特殊工況下的使用，限制了其在對(duì)此類性能敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。

超表面的出現(xiàn)為在亞波長尺度下獨(dú)立操縱光子的多個(gè)維度屬性提供了強(qiáng)大而靈活的器件平臺(tái)。相比傳統(tǒng)器件，在波長、偏振維度調(diào)控方面，更為緊湊的超表面器件已經(jīng)被證實(shí)其巨大的潛力。然而，現(xiàn)有方法在多偏振與多波長的探測上通常采用叉指/分塊的方法，導(dǎo)致不同數(shù)據(jù)通道間的串?dāng)_與能量損失。如何在不同波長上實(shí)現(xiàn)無損耗的任意偏振操控從而進(jìn)行波長與全偏振狀態(tài)信息的同步探測仍未有解決方案。

創(chuàng)新研究

本文中研究團(tuán)隊(duì)提出了一種能夠在不同光譜維度下按需復(fù)用的組合單元相干超表面單元。通過色散瓊斯矩陣的疊加構(gòu)造波長解耦來打破本征偏振約束，在多個(gè)離散波長獨(dú)立選擇任意正交偏振基并進(jìn)行復(fù)用調(diào)控，降低串?dāng)_并提升效率。

如圖1所示，在低照明背景下，需要通過載荷區(qū)分具有不同光譜和偏振信息的復(fù)雜典型目標(biāo)。然而，對(duì)于傳統(tǒng)的超表面單元結(jié)構(gòu)，其調(diào)控路徑受到幾何對(duì)稱方向的限制。為了打破不同波長-偏振調(diào)控固有的本征偏振約束，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種色散瓊斯矩陣方法，通過用4個(gè)全硅單元構(gòu)造波長解耦的相干結(jié)構(gòu)。為了保證超單元在所有3個(gè)波長和6個(gè)偏振通道上的高性能，通過粒子群-遺傳算法對(duì)單元的周期幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)在多個(gè)波長維度上任意的偏振調(diào)控。

圖1. 波長解耦相干單元在光譜維度的多偏振調(diào)控。（a）低照度背景下復(fù)雜目標(biāo)的光譜和偏振識(shí)別示意圖；（b）傳統(tǒng)幾何相位操控中超表面單元的旋轉(zhuǎn)角θ與本征偏振的關(guān)系；（c）波長解耦相干超單元示意圖；（d）多色全偏振超透鏡的功能示意圖。

研究團(tuán)隊(duì)制備了一個(gè)具有代表性的多色全偏振調(diào)控器件，被實(shí)驗(yàn)證明可以在三個(gè)波長的空間分離通道上生成三對(duì)任意選擇的正交偏振上的消色差聚焦點(diǎn)。其模擬了傳統(tǒng)級(jí)聯(lián)的濾光片、偏振片和波片的功能。三對(duì)正交偏振態(tài)分別為3.0 μm-線偏振、3.6 μm-橢圓偏振（橢圓率30°）和4.5 μm-圓偏振。值得注意的是，雖然此方案只用了四個(gè)相干像素，但它仍然適用于多個(gè)波長，偏振態(tài)的形式是任意的。如圖2所示，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步拓展并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)十通道超表面器件，在Poincaré球上展示的五組不同正交偏振態(tài)與設(shè)計(jì)吻合。

圖2. 本征偏振調(diào)控超表面的制備與調(diào)控。（a）樣品加工SEM圖；（b）基于混合進(jìn)化算法的超透鏡的優(yōu)化結(jié)果；（c）五波長、十偏振通道在龐加萊球上的表示；（d）選定的五個(gè)波長下，不同偏振的聚焦點(diǎn)在焦平面上的分布，插圖顯示了對(duì)應(yīng)的偏振態(tài)。 研究團(tuán)隊(duì)通過理論分析、仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測試證實(shí)了基于四單元組合通過色散瓊斯矩陣疊加的方式實(shí)現(xiàn)無串?dāng)_、高效率的多離散波長下任意正交偏振態(tài)的同步操控，為超表面器件從物理層面突破光譜-偏振多維度、多自由度調(diào)控限制提供了有益的探索，有助于滿足天基遙感、國土安全等方面的需求。

審核編輯：劉清