Visible Metasurfaces for On-Chip Polarimetry

 原创作者：胡铁 纳米光子实验室 目前研究方向：介质偏振计

——||背景介绍||——

偏振态是用于信息传递和信号测量的电磁波的关键特性之一。 因此，偏振态的分析可以提供关于物理系统的细节，甚至是材料特性。测量光的偏振态有重大的研究和应用价值。偏振态的传统测量方法操作复杂，难于集成，体积大。超表面为光的偏振态，相位，波前控制提供了优越的平台。2018年，台湾的Pin Chieh Wu等人提出了一种基于可见光超表面的片上集成偏振计。片上偏振计将为偏振控制，手性分子检测和材料分析等光学器件的研发开创新阶段。

——||创新点||——

为了在单次照射下同时获得不同偏振态之间的相关强度，将六个超表面芯片集成到一个单个样品上（所谓的） 片上偏振计，每个超表面芯片有助于检测一种特定偏振态的强度，因此，可以在探测器前面没有光学元件的情况下实时获得一组斯托克斯参数。

——||图文一览||——

图一：基于可见光超表面的片上集成偏振计结构图

通过分析异常光束的相关强度可得出由待测样品产生的具有未知偏振态的光束的偏振态。由于超表面的片上集成特性，能同时获得六个偏振态的相对强度信息。插图显示了超表面的单元结构的结构特征：在SiO2 / Al / Si衬底上具有50nm厚度的Al纳米天线。 SiO ₂和Al镜的厚度分别为30和150nm。

图二：超表面芯片设计

（a） 针对x线偏振光单元结构的仿真反射率（黑点）和相移（蓝星）

（b） 针对a线偏振光单元结构的仿真反射率（黑点）和相移（蓝星）

（c） 针对RCP线偏振光单元结构的仿真反射率（黑点）和相移（蓝星）

（d） 从数值（蓝点）和理论（橄榄色曲线）计算预测异常反射角度。 由于每个超单元的长度是相同的，因此偏折角度都是相同的。

（e） 从相应的超表面芯片仿真的每个偏振态效率。

小结：针对6种偏振态的超表面芯片利用梯度超表面原理，通过仿真得出了偏转角的最大范围。工作效率通常在整个可见光范围内表现出良好的结果。尽管效率在光谱边界处下降，但由于使用自参考，该论文提出的器件仍适用于偏振分析

图三：样品制备

（a） 片上集成偏振计的六个超表面芯片的扫描电子显微镜（SEM）图像。每个超表面芯片的尺寸为100×100μm²，相邻芯片之间的间隙为50μm。

（b） BOPP薄膜的化学结构式。

（c） 具有不同层数的BOPP摄影图。BOPP薄膜夹在两个彼此正交的线性偏振器之间。每个BOPP薄膜厚度为25微米。

小结：由8个单元组成的组成一个超表面的超结构，其中4级和8级相位梯度分别用于线性和圆形极化。由于BOPP薄膜的手性特性高度依赖入射波长。因此，片上集成偏振计需要工作与宽谱范围。

图四：实验结果

（a） 测试片上集成偏振计的实验装置结构图。

（b） 使用片上偏振计（实心曲线）和椭偏仪（点）测量单层BOPP薄膜的斯托克斯参数。

（c） 在λ= 633nm，来自商业椭偏仪（蓝点）和片上偏振计（橙色点）测量椭偏角（上部）和方位角（下部）的实验结果。所有橄榄符号表示测量的偏振态。

小结：可以明显地分析出测试样品在整个可见光谱上的双折射和二色性。

——||结论||——

提出了一种基于可见光超表面的片上偏振计。 由于宽工作带宽，可以在整个可见光谱中分辨完整的斯托克斯参数。长远来看，可以将入射光（将被测量）单独照射到超表面芯片上，通过使用单个器件就能同时探测偏振信息和光谱信息。

文献链接：Wu P C, Chen J W, Yin C W, et al. Visible metasurfaces for on-chip polarimetry[J]. Acs Photonics, 2017, 5(7): 2568-2573.

DOI：10.1021/acsphotonics.7b01527.