[论文解读] Complete Control of Polarization and Phase of Light with High Efficiency and Sub-wavelength Spatial Resolution

Amir Arbabi, Yu Horie+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 6, 2014

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文提出了一种由椭圆纳米柱组成的高对比度电介质超表面，实现了对光的偏振态和相位的完全、高效控制，且具有亚波长空间分辨率。该平台可同时操控偏振态与相位，从而实现新型光学元件，如可切换全息图和任意矢量光束发生器。

ABSTRACT

Meta-surfaces are planar structures that locally change polarization, phase, and amplitude of light, thus enabling flat, lithographically patterned free-space optical components with functionalities controlled by design. Several types of meta-surfaces have been reported, but low efficiency and the inability to provide simultaneous phase and polarization control have limited their applications. Here we demonstrate a platform based on high-contrast dielectric elliptical nano-posts providing complete and efficient control of polarization and phase with sub-wavelength spatial resolution. The unprecedented freedom in manipulating light not only enables realization of conventional free-space transmissive optical elements such as phase-plates, wave-plates and beam-splitters, but also elements with novel functionalities such as general polarization switchable phase holograms and arbitrary vector beam generators which will change the design paradigms for free-space optical systems.

研究动机与目标

• 克服现有超表面缺乏同时控制相位与偏振态的局限性。
• 开发一种能够实现高效、亚波长操控偏振态与相位的平台。
• 实现超越传统光学功能的新型自由空间光学元件设计。
• 展示可切换相位全息图和任意矢量光束发生器等实际应用。

提出的方法

• 该平台采用在基底上图案化高对比度电介质椭圆纳米柱，以局部调控透射光的相位与偏振态。
• 通过设计纳米柱的几何形状与取向，实现对光偏振态与相位态的独立控制。
• 利用椭圆纳米柱的各向异性光学响应，实现偏振态在完整庞加莱球面上的覆盖。
• 通过标准光刻技术实现超表面的制造，支持在亚波长分辨率下实现可扩展且精确的图案化。
• 通过理论建模与仿真优化纳米柱的尺寸与排布，以实现最大效率与所需波前调制。
• 通过仿真与理论分析验证系统性能，证明在可见光至近红外波段内可实现对偏振态与相位的完全控制。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一超表面设计能否实现对光偏振态与相位的同步、高效控制？
• RQ2 何种纳米结构几何形状可实现亚波长空间分辨率下对偏振态与相位的完全调控？
• RQ3 该平台能否实现如可切换全息图与任意矢量光束生成等新型光学功能？
• RQ4 与以往超表面设计相比，高对比度电介质方法如何提升效率？
• RQ5 何种设计原则可使平面化、光刻制造的结构实现任意矢量光束的生成？

主要发现

• 该超表面在亚波长空间分辨率下实现了对光偏振态与相位的完全且高效的控制。
• 该平台可实现传统光学元件（如相位板、波片与分束器）的高性能设计，且具备更高的设计灵活性。
• 支持新型功能，如通用可切换相位全息图，可实现衍射图案的动态重构。
• 可实现任意矢量光束发生器，从而在波前范围内生成复杂偏振态。
• 高对比度电介质设计确保了高效率，克服了以往超表面平台效率低与控制不完整的问题。
• 该方法通过单一平面元件实现对光偏振态与相位的完全控制，为自由空间光学系统建立了新的设计范式。