上海技物所提出光電偏振本征矢量新概念

近日，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳效雙、周靖團(tuán)隊(duì)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(jì)，解決了高精度偏振探測(cè)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(cè)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(xué)》（Nature Electronics）期刊上。

目前，基于分立光學(xué)元件的偏振計(jì)已經(jīng)比較成熟。然而，分立光學(xué)元件的使用導(dǎo)致這些偏振計(jì)體積龐大、系統(tǒng)復(fù)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(xué)元件可以被輕薄的超表面取代，但是超表面與探測(cè)器之間需要保持適當(dāng)?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(cè)器感光像元之間的高精度對(duì)準(zhǔn)貼合難以實(shí)現(xiàn)。此外，超表面及粘合劑會(huì)造成一定的光通量損失，影響探測(cè)靈敏度。偏振光耦合結(jié)構(gòu)與紅外探測(cè)材料原位集成的片上偏振計(jì)正受到越來越多的關(guān)注。然而，缺乏對(duì)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(rèn)識(shí)，阻礙了這一技術(shù)路線的發(fā)展。

研究團(tuán)隊(duì)通過等離激元偏振光耦合超表面與紅外探測(cè)材料原位集成，制備了片上全斯托克斯偏振計(jì)，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(cè)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(shí)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(jìn)一步拓展到多種探測(cè)材料和探測(cè)波段，對(duì)于紅外波段集成式的多維光電探測(cè)具有重要意義。

紅外科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳效雙研究員、周靖研究員和新加坡國立大學(xué)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(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委等多個(gè)項(xiàng)目的支持。

圖片:W020241210488282991546_ORIGIN.png

a-超表面集成亞像元對(duì)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(jì)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(gè)Poincaré球上隨機(jī)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(tuán)隊(duì)研究結(jié)果的比較。

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