如何方便地對各種偏振分量進(jìn)行測量

偏振作為光的一種基本屬性，在成像，通信，傳感等光學(xué)幾乎所有領(lǐng)域中都扮演著重要的角色。譬如就成像而言，光的偏振，作為光的第三維度，可以提供強(qiáng)度和顏色之外的信息。偏振相機(jī)可以具有穿云透霧以及洞察結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力等功能。

但是，光學(xué)偏振的探測卻并不很容易。目前商用的探測器基本都只對光強(qiáng)和顏色敏感，如需探測偏振則要在鏡頭前加一些波片以及偏振片。這聽起來似乎很容易。但實際上，因為完整的光偏振信息包含了四個自由度（可以用斯托克斯參量來表示），所以我們需要不止一套波片和偏振片的組合。如何方便地對各種偏振分量進(jìn)行測量就成了實際中的一個核心問題。

針對這個問題，已經(jīng)有一些方法被提出，但他們都存在著一些問題：

（一）分時成像方法。這種方法采用轉(zhuǎn)輪的方式，在時間順序上依次獲取不同偏振態(tài)的圖像。因為其設(shè)計較復(fù)雜，不好進(jìn)行片上集成以及時間分辨率有限，這種方法的前景并不被看好。

（二）分振幅成像方法。這種方法通過一系列偏振光學(xué)元件將不同偏振分量的光在空間上分離開，然后用多個探測器分別進(jìn)行探測。該方法具有全斯托克斯測量等優(yōu)勢，但是其原理要求器件必須具有較大的空間體積，以便不同分量的光通過空間傳播一定距離后得以分離，所以也無法做到真正的片上探測。

（三）分焦平面成像方法。這種方法在成像焦平面的探測器陣列頂部加工了圖案化的線柵微偏振器。這種方法目前已經(jīng)被商用，但其仍存在無法提供完整偏振信息以及無法處理中長波段（特別是中遠(yuǎn)紅外）的缺點。

除了上面三種方法，最近還有一種方法越來越多地得到大家的關(guān)注，那就是自身對偏振敏感的光電探測器。因為不需要外加波片以及偏振片等光學(xué)元件，此類功能性光電探測器不會受到像素串?dāng)_的影響，從而使其能夠以超高像素密度進(jìn)行偏振成像。這背后的原理是基于材料或者結(jié)構(gòu)的各向異性吸收。但因為這個原理的限制，器件的偏振比（Polarization ratio）普遍不高。

為了解決這一問題，新加坡國立大學(xué)的研究團(tuán)隊對目前偏振敏感的光電探測器進(jìn)行了歸納梳理，發(fā)現(xiàn)存在兩種不同的偏振響應(yīng)，文中被稱為“單極性”和“雙極性”偏振響應(yīng)。研究團(tuán)隊進(jìn)一步提出一套基于石墨烯中非局部矢量光電流的方案，通過改變一對納米天線的角度，可以實現(xiàn)這兩種偏振響應(yīng)的切換。

這個工作揭示了偏振比的值可在1→∞/-∞→-1范圍內(nèi)遍歷，而非以往大家通常以為的正值，如下圖中This Work所對應(yīng)區(qū)域所示。其中，無窮大的偏振比在單極性和雙極性偏振響應(yīng)的轉(zhuǎn)換點上取得。

對偏振敏感探測器的歸納比較。單極化偏振響應(yīng)指光響應(yīng)的符號不隨偏振方向而改變；雙極化偏振響應(yīng)則指光響應(yīng)的符號會隨偏振方向而改變。PR：偏振比。

其相關(guān)成果以 Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition 為題發(fā)表在 Nature Photonics。

為實現(xiàn)這個目標(biāo)，研究人員采取了如下三步：

（1）納米天線在納米尺度攪動石墨烯中電子流動的過程在以往的工作中一直沒有辦法得到定量的理解，從而妨礙了器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。這里，研究人員創(chuàng)造性地構(gòu)建了一個基于流體動力學(xué)方程的理論模型，比較好地解決了這個問題。

（2）基于上述的理論模型，研究人員可以方便地對器件的偏振響應(yīng)進(jìn)行設(shè)計。在這個工作中，研究人員通過控制納米天線放置的角度（θ1，θ2），來實現(xiàn)偏振比的值在1→∞/-∞→-1范圍內(nèi)遍歷。

（3）為了克服實際中可能存在的加工誤差問題，研究人員進(jìn)一步提出了一種無需改變器件結(jié)構(gòu)就可以通過電調(diào)節(jié)的方式改變偏振比的方法。通過使用不同材質(zhì)的兩種納米天線，器件的偏振比就可以通過施加門電壓來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

多層石墨烯作為一種半金屬，除了其非局域定向的光響應(yīng)可以被我們利用實現(xiàn)大范圍可調(diào)的偏振比之外，在零偏壓下其噪聲水平也是很低的。研究人員對他們的器件進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)最小可以測到0.02o Hz-1/2的偏振角度變化。

總的來說，這個工作在物理和工程兩方面都有重要意義。一方面，納米天線可以在納米尺度下注入電流，從而是研究石墨烯電子學(xué)的很好物理平臺；另一方面，這里展示的納米天線-石墨烯技術(shù)可以被進(jìn)一步應(yīng)用到對圓偏振、矢量光束、入射角度乃至光學(xué)渦旋的探測中，顯示了其在中紅外功能性光電探測器上的巨大潛力。

論文信息

Wei， J.， Xu， C.， Dong， B. et al. Mid-infrared semimetal polarization detectors with configurable polarity transition. Nat. Photonics （2021）。

新加坡國立大學(xué)電子與計算機(jī)學(xué)院博士生魏靜軒為文章的第一作者，通訊作者為仇成偉（Qiu Cheng-Wei）教授和李正國（Lee Chengkuo）教授。

來源：公眾號【中國光學(xué)】（ID：ChineseOptics）

撰稿人：Keinstein（新加坡國立大學(xué) 博士生）

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