西安光機(jī)所等最新研究拓展了超表面在偏振光學(xué)中的應(yīng)用

圖1.超表面廣義相位調(diào)控框架概念示意圖

超表面是由亞波長(zhǎng)間隔的光學(xué)散射體組成的平面光學(xué)器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光場(chǎng)偏振、振幅、相位和傳播模式的精確調(diào)控。相比傳統(tǒng)光學(xué)元件，具備輕薄和多功能集成等優(yōu)勢(shì)，為微型化光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了重要的解決方案?；诔砻娴钠裾{(diào)控及復(fù)用研究受到了廣泛關(guān)注，已被應(yīng)用于偏振探測(cè)、顯微成像、量子態(tài)測(cè)量等領(lǐng)域。目前，超表面偏振調(diào)控理論主要集中在完全偏振轉(zhuǎn)化條件下，即假定入射光被超表面全部轉(zhuǎn)化成其正交復(fù)共軛態(tài)，這樣導(dǎo)致偏振復(fù)用通道數(shù)受限，且實(shí)際中未被偏振轉(zhuǎn)化的能量會(huì)被浪費(fèi)掉。針對(duì)該問(wèn)題，研究者最近提出了多原子耦合、多層耦合模型以實(shí)現(xiàn)更多通道的偏振復(fù)用，但是這些方法存在空間采樣率減小導(dǎo)致編碼信息的劣化，以及超表面層數(shù)增加導(dǎo)致調(diào)控效率降低等問(wèn)題。另外，目前的超表面偏振調(diào)控方法也未能實(shí)現(xiàn)不同偏振通道間能量的任意分配。

西安光機(jī)所超快光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張文富研究員、王國(guó)璽研究員團(tuán)隊(duì)與南京大學(xué)李濤教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種超表面偏振光學(xué)相位調(diào)控的廣義框架理論，可以實(shí)現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨(dú)立控制和不同通道間能量的任意分配，拓展了超表面在偏振光學(xué)中的應(yīng)用范圍，為多功能超表面光子器件研制開(kāi)辟了新途徑。相關(guān)研究成果以“Metasurface Polarization Optics: Phase Manipulation for Arbitrary Polarization Conversion Condition”為題發(fā)表在Physical Review Letters上。西安光機(jī)所李思奇副研究員和南京大學(xué)陳晨副研究員為論文的共同第一作者，張文富、李濤為共同通訊作者，該工作得到了趙衛(wèi)研究員的悉心指導(dǎo)。

團(tuán)隊(duì)在揭示偏振光與介質(zhì)納米柱作用過(guò)程中自旋軌道耦合機(jī)制的基礎(chǔ)上，引入新的偏振轉(zhuǎn)化因子項(xiàng)，構(gòu)建了超表面廣義相位調(diào)控框架，可以實(shí)現(xiàn)多通道任意偏振態(tài)相位的獨(dú)立控制和不同通道間能量的任意分配?？蚣茉硎疽鈭D如圖1所示，任一偏振態(tài)的光可以被超表面轉(zhuǎn)化成復(fù)共軛態(tài)和正交復(fù)共軛態(tài)兩部分，這兩部分光場(chǎng)的相位和能量可以進(jìn)行獨(dú)立的控制。

基于上述框架理論，團(tuán)隊(duì)首先對(duì)最一般的偏振態(tài)調(diào)控情形即橢偏態(tài)相位的獨(dú)立控制進(jìn)行了驗(yàn)證。根據(jù)提出的相位約束方程，設(shè)定每個(gè)通道的能量相當(dāng)，在超表面的三個(gè)橢偏復(fù)用通道上編碼不同的全息圖，如圖C2所示?？梢钥闯霾煌瑱E偏通道可精準(zhǔn)地加載不同的相位信息從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度分布。

圖2.橢圓偏振態(tài)相位調(diào)控結(jié)果

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列不同偏振轉(zhuǎn)化因子的超表面，不同偏振通道編碼信息對(duì)應(yīng)同一個(gè)圓周上不同位置的聚焦點(diǎn)，通過(guò)偏振態(tài)的選擇可以將能量聚焦到不同位置，如圖C3所示。結(jié)果顯示隨著轉(zhuǎn)化因子的變化，不同通道的能量也相應(yīng)發(fā)生改變。因此，通過(guò)改變偏振轉(zhuǎn)化因子實(shí)現(xiàn)了不同通道間能量的精確控制。綜上，該理論適用于任意偏振態(tài)相位的獨(dú)立控制和不同偏振通道間能量的任意分配。

圖3.偏振復(fù)用通道間能量操控結(jié)果

此外，在該理論基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作了可對(duì)量子態(tài)進(jìn)行廣義測(cè)量的光學(xué)超表面，提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于廣義測(cè)量的自學(xué)習(xí)量子態(tài)重構(gòu)方法，有效降低了多光子糾纏度量的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度、采樣復(fù)雜度和后處理復(fù)雜度。相關(guān)研究成果以“Efficient characterizations of multiphoton states with an ultra-thin optical device”為題發(fā)表在Nature Communications上。山東大學(xué)逯鶴教授和中國(guó)科學(xué)院西安光機(jī)所王國(guó)璽研究員為論文共同通訊作者。

團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了可對(duì)量子態(tài)進(jìn)行廣義測(cè)量的光學(xué)超表面，可以同時(shí)將光子偏振狀態(tài)展開(kāi)到信息完備測(cè)量基矢上，并將六束光分解到不同的空間通道進(jìn)行探測(cè)。利用此超表面的八面體廣義測(cè)量進(jìn)行了陰影層析實(shí)驗(yàn)，僅需要幾百毫秒就可以實(shí)現(xiàn)偏振態(tài)投影算符的期望值估計(jì)(如圖4所示)。

圖4.超表面偏振態(tài)層析結(jié)果

團(tuán)隊(duì)還提出了一種自學(xué)習(xí)陰影層析技術(shù)(SLST)，結(jié)合同步擾動(dòng)隨機(jī)逼近算法(SPSA)，用陰影層析對(duì)弗羅貝尼烏斯范數(shù)進(jìn)行無(wú)偏估計(jì)并作為損失函數(shù)，再用SPSA對(duì)描述量子態(tài)的參數(shù)做全局優(yōu)化進(jìn)行量子態(tài)重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在同樣的采樣數(shù)目下，SLST以較小的經(jīng)典迭代次數(shù)達(dá)到更高的精度，可以有效降低重構(gòu)量子態(tài)所需要的樣本復(fù)雜度的后處理復(fù)雜度，并且具有抗噪聲的優(yōu)點(diǎn)(如圖5所示)。

圖5.不同算法下雙光子態(tài)保真度重建結(jié)果

上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青促會(huì)等項(xiàng)目的支持。

審核編輯 黃宇