上海技物所提出光電偏振本征矢量新概念

近日，中國科學院上海技術(shù)物理研究所紅外科學與技術(shù)重點實驗室陳效雙、周靖團隊等提出了一種基于光電偏振本征矢量的片上全斯托克斯偏振計，解決了高精度偏振探測系統(tǒng)小型化和集成化的難題，提供了一種探索偏振光電響應(yīng)的全新范式和理論框架，為開發(fā)具備多種功能的多維光電探測器提供了重要參考。研究成果以“An on-chip full-Stokes polarimeter based on optoelectronic polarization eigenvectors”為題，發(fā)表在《自然·電子學》（Nature Electronics）期刊上。

目前，基于分立光學元件的偏振計已經(jīng)比較成熟。然而，分立光學元件的使用導致這些偏振計體積龐大、系統(tǒng)復雜，從而限制了其小型化和集成化的發(fā)展。雖然傳統(tǒng)的波片、偏振片和濾光片等光學元件可以被輕薄的超表面取代，但是超表面與探測器之間需要保持適當?shù)膫鞑ゾ嚯x，增加了小型化和集成化的難度。超表面偏振像元與探測器感光像元之間的高精度對準貼合難以實現(xiàn)。此外，超表面及粘合劑會造成一定的光通量損失，影響探測靈敏度。偏振光耦合結(jié)構(gòu)與紅外探測材料原位集成的片上偏振計正受到越來越多的關(guān)注。然而，缺乏對于入射光斯托克斯矢量與器件光電響應(yīng)之間的基本物理關(guān)系的認識，阻礙了這一技術(shù)路線的發(fā)展。

研究團隊通過等離激元偏振光耦合超表面與紅外探測材料原位集成，制備了片上全斯托克斯偏振計，提出了光電偏振本征矢量的新概念，闡明了入射光斯托克斯矢量與探測器光電流的內(nèi)稟關(guān)聯(lián)，發(fā)展了偏振光電轉(zhuǎn)換在斯托克斯參量空間的位相調(diào)控方法，構(gòu)建了高精度片上偏振重建的理論框架，實現(xiàn)了片上全斯托克斯偏振重建的最高覆蓋率和最小誤差（r.m.s.e < 1%）。此技術(shù)路線和理論框架可以進一步拓展到多種探測材料和探測波段，對于紅外波段集成式的多維光電探測具有重要意義。

紅外科學與技術(shù)重點實驗室陳效雙研究員、周靖研究員和新加坡國立大學仇成偉教授為論文的共同通訊作者，鄧杰博士后為論文的共同第一作者。

該研究得到了中國科學院B類先導專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、上海市科委等多個項目的支持。

圖片:W020241210488282991546_ORIGIN.png

a-超表面集成亞像元對應(yīng)光電偏振本征矢量的幾何表示；b-片上全斯托克斯偏振計的器件結(jié)構(gòu)示意圖；c-亞像元Z形金屬超表面和二硫化鉬原子結(jié)構(gòu)示意圖；d-光電偏振本征矢量組成的光電轉(zhuǎn)換矩陣；e-在整個Poincaré球上隨機選取的輸入和重建偏振態(tài)；f-本研究器件的重建偏振態(tài)覆蓋率和重建精度等性能與其他團隊研究結(jié)果的比較。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01287-w