撰稿人 | 李占成，陈树琪
论文题目 | Optical polarization manipulations with anisotropic nanostructures
作者 | 李占成，刘文玮，张跃变，程化*，张霜*，陈树琪*
完成单位 | 南开大学，香港大学，山西大学
研究背景
偏振是光波的一个基本特性，它描述了光波电场振动的方向。在光学领域，偏振现象及其操控具有重要的应用价值，特别是在光学成像、物质分析、光学通信和量子光学等领域。用于实现偏振操控的传统光学元件，如四分之一波片，通常由具有双折射特性的晶体材料制成。这些元件通过调控光波在材料中的传播距离，可以在其两个正交偏振分量之间引入可控的相位延迟，从而实现对光波偏振态的操控。传统的偏振操控元件虽然在光偏振控制方面性能显著，但它们通常具有较大的体积和重量，限制了它们在现代光学系统中，特别是微型化和集成化设备中的应用。此外，它们的功能相对有限，难以满多维度光学偏振操控的需求。为了克服这些限制，研究人员正在探索新材料和新技术，旨在保证器件紧凑性和高效性的同时，实现更加灵活的光偏振操控。受益于新世纪以来微纳加工技术的快速发展，人工微结构的出现为光偏振操控提供了新的有力手段。通过设计人工微结构的结构构型和参数，可以方便地调控其光谐振，从而实现对光场振幅、相位和偏振等多个维度在亚波长尺度下的高效调控。基于人工微结构的光场调控技术为光偏振操控和任意矢量光束的生成提供了新平台，在光学偏振复用和多功能集成方面也表现出广泛应用前景。
导读
具有各向异性光响应的人工微结构，能够对光波的不同偏振分量进行高自由度调控，在偏振态调控与检测、偏振复用光场调控和多功能集成等方面展现出重要的应用价值。基于各向异性微结构的光偏振态调控器件，如偏振片、波片、偏振转换器等，已被广泛研究并展现出优异的调控性能，为小型化、集成化和智能化偏振操控器件的实现提供了新的方式。与此同时，各向异性微结构还能够实现传统偏振操控元件所不具备的特殊光偏振操控功能，如在光传播方向上或垂直于其传播方向界面上实现对光波偏振态空间分布在波长尺度下的精确调节，可以选择性透射任意特定偏振光波和同时调节光波偏振态和偏振度等。这为光偏振操控技术的应用发展提供了全新机遇。近来，来自南开大学物理科学学院和香港大学物理系的研究团队对各向异性微结构的设计原理及其在光偏振操控方向的代表性工作和最新研究进展进行了系统回顾与分析。相关成果于2024年10月3日以“Optical polarization manipulations with anisotropic nanostructures” 为题发表于 PhotoniX。
主要研究内容
近年来，人工微结构的产生和快速发展为亚波长尺度下的光偏振操控提供了新的有力手段。各向异性微结构因其能够实现对光波的不同偏振分量的高自由度调控，在偏振态调控、偏振复用光场调控和多功能集成等方面被广泛研究。本文回顾了用于光偏振态调控、检测以及偏振复用光场调控的各向异性微结构的设计原理、代表性工作和最新进展，并详细阐述了少层和多原子微结构设计在偏振复用光场调控和多功能集成方面的突出优势。图1简述了各向异性微结构在光偏振操控领域的发展路线及其应用。
本文首先讨论了各向异性微结构的基本设计原理，阐明了如何通过微结构的有效设计实现对光波不同偏振分量的高自由度调控。之后，本文列举并系统讨论了一系列基于各向异性微结构实现光偏振态调控和偏振复用光场调控的代表性工作，展示了各向异性微结构在光偏振操控方面的出色性能和优势特点。在此基础上，本文回顾了基于各向异性微结构实现光波偏振态测量的代表性方法，体现了各向异性微结构在集成光偏振探测器件中的重要应用。本文进一步深入分析了少层和多原子微结构设计在偏振复用光场调控和多功能集成方面的突出优势。最后，本文分析了各向异性微结构光偏振操控领域未来发展所面临的挑战和机遇，给出了重点方向。
图1 各向异性微结构发展路线图。
观点评述
各向异性微结构不仅能够实现对光波偏振态的高效调控，还能够通过在亚波长尺度下对光波不同偏振分量的独立调控实现偏振复用的光场调控和多功能集成，在偏振态调控与检测、光学全息、光学防伪和光学成像等领域已取得广泛应用。最新研究表明其能够进一步实现非正交偏振复用，可以被用于产生具有特定偏振态的微纳激光，能实现高精度的偏振成像和传统偏振操控元件所不具备的功能，这为各向异性微结构光偏振操控研究的进一步发展提供了新的契机。相关研究的不断发展显著推动了微纳光偏振操控器件的研究，有望在未来极大地促进集成化微纳光学系统在信息、生物和材料等领域的应用。
主要作者介绍
李占成，南开大学物理科学学院副教授，致力于手性微纳光子学与人工微结构光场调控研究。近五年以第一/通讯作者在Adv. Mater.、ACS Photonics和Laser Photonics Rev.等期刊发表论文19篇。
陈树琪，南开大学杰出教授，国家杰出青年科学基金获得者。现任南开大学材料科学与工程学院院长。主要研究方向为人工微结构波场调控物理及应用，在Phys. Rev. Lett.、Light: Sci. & Appl.、Optica等期刊发表SCI论文170余篇，被引用8400余次。参编著作1部，受邀在Adv. Mater.等期刊发表本领域综述论文14篇。
张霜，香港大学讲席教授及代理系主任，新基石研究员，美国物理学会会士（APS Fellow），美国光学学会会士(Optica Fellow), 长期从事超材料和纳米光子学的研究。在Science，Nature和Phys. Rev. Lett.等期刊发表论文300余篇，被引用40000余。曾获得国际纯粹与应用物理联合会(IUPAP)青年科学家光学奖，英国皇家学会Wolfson Research Merit Award。
本文出处
发表于：PhotoniX
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00143-6
文献检索：
PhotoniX 5, 30 (2024). https://doi.org/10.1186/s43074-024-00143-6
更多原文内容，请点击“阅读原文”
推荐阅读
关于PhotoniX
PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、清华大学、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。
PhotoniX 已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等10多个数据库收录。2022年6月获得首个影响因子19.818，位列Q1区。同时进入《2022年中国科学院文献情报中心期刊分区表》，位列物理与天体物理大类和光学小类双一区，为Top期刊。中国科协首次颁布“光学工程和光学领域高质量期刊目录”PhotoniX 位列T1级。
了解PhotoniX最新动态
阅读原文
查看全文
声明：本文所用视频、图片、文字如涉及版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除。邮箱：wanghaiming@csoe.org.cn
公众号投稿请联系：wanghaiming@csoe.org.cn
商务合作/文章转载请联系：022-59013419
欢迎分享
↓点赞
↓在看
