中红外光多色全偏振控制

中波红外(MWIR)作为最重要的透明大气窗口之一，对太阳背景辐射的干扰不太敏感，为各种材料的指纹光谱提供了高透射区，并实现了之间的通信通道空间和地面。光子、波长、偏振及其测量的基本特征在几乎所有科学领域和遥感技术中都引起了极大的兴趣。然而，各种偏振和波长通道之间的串扰阻碍了在高信噪比下进行准确的中红外检测。

在Light:Science&Applications上发表的一篇新论文中，由上海技术物理研究所的李冠海博士和新加坡国立大学的Cheng-weiQiu博士领导的一组科学家提出了分散琼斯矩阵方法，通过构建基于全硅超表面的波长解耦相干像素。在没有空间或时间成本和串扰的情况下，该方法可以在预定义的离散波长下对任何所需的正交偏振通道进行独立的相位操作。

卫星或飞机携带的机载有效载荷捕获地面目标[汽车(λ1,P1)、人(λ2,P2)和模型(λ3,P3)的精细特征的典型场景)]在低照度背景下如图1所示。为了从不同的波长和偏振中获取信息，已经探索了具有级联元件的传统光学系统通过旋转分立滤光片/偏振器或分割检测焦平面阵列。这些配置存在体积庞大和冗余、光子收集效率低等问题。更重要的是，它们的实现是以降低空间或时间分辨率为代价的。

能够在操纵多个光子维度(例如波长、偏振和相位)时实现多功能纳米级光控制的超表面，已经充分显示出以易于集成和多功能的方式取代冗余和复杂系统的巨大潜力。然而，调制路径受限于传统元原子的几何对称方向。

为了打破不同波长偏振操作固有的本征偏振约束，该小组提出了一种色散琼斯矩阵方法，通过用四个全硅元原子构建波长解耦的相干像素。为了确保超级电池在所有三个波长和六个偏振通道上的高性能，通过粒子群遗传算法优化超级电池的周期几何参数，从而实现多波长维度的任意偏振调制。

联合研究团队准备了一个具有代表性的多色全偏振控制元器件，并展示了在三个波长的空间分离通道上通过三对任意选择的正交偏振产生消色差聚焦点。它模仿了在传统设置中并联放置的级联滤波器、偏振器和波片的功能。

三个波长下的三对不同的正交偏振态是3.0μm的线性偏振、3.6μm的椭圆偏振(椭圆角30°)和4.5μm的圆偏振。虽然该方法基于波长解耦的相干像素，每个像素只有四个传统的线性EPS元原子，但它仍然适用于多个波长并且偏振态的形式是任意的。例如，实现了一个十通道元器件，如图2所示。选定的五对正交偏振态显示在庞加莱球中，这与设计非常吻合。

联合研究团队通过理论分析、模拟和实验测量证明了本征极化工程。它以超紧凑和集成的方式将偏振应用从科学研究扩展到工业，否则需要并联各种级联元件。

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