Author Affiliations
Abstract
1 Southern University of Science and Technology, Department of Materials Science and Engineering, Shenzhen, China
2 Southern University of Science and Technology, Shenzhen Institute for Quantum Science and Engineering, Shenzhen, China
3 Southern University of Science and Technology, Institute for Applied Optics and Precision Engineering, Shenzhen, China
4 Southern University of Science and Technology, Guangdong Provincial Key Laboratory of Functional Oxide Materials and Devices, Shenzhen, China
Optical metasurfaces, which consist of subwavelength scale meta-atoms, represent a novel platform to manipulate the polarization and phase of light. The optical performance of metasurfaces heavily relies on the quality of nanofabrication. Retrieving the Jones matrix of an imperfect metasurface optical element is highly desirable. We show that this can be realized by decomposing the generalized Jones matrix of a meta-atom into two parallel ones, which correspond to the ideal matrix and a phase retardation. To experimentally verify this concept, we designed and fabricated metasurface polarizers, which consist of geometric phase-controlled dielectric meta-atoms. By scanning the polarization states of the incident and transmitted light, we are able to extract the coefficients of the two parallel matrices of a metasurface polarizer. Based on the results of the Jones matrix decomposition, we also demonstrated polarization image encryption and spin-selective optical holography. The proposed Jones matrix retrieval protocol may have important applications in computational imaging, optical computing, optical communications, and so on.
metasurface polarizer Jones matrix optical holography 
Advanced Photonics Nexus
2024, 3(2): 026005
Author Affiliations
Abstract
Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications, Institute of Photonics Technology, Jinan University, Guangzhou 510632, China
Polarizers have always been an important optical component for optical engineering and have played an indispensable part of polarization imaging systems. Metasurface polarizers provide an excellent platform to achieve miniaturization, high resolution, and low cost of polarization imaging systems. Here, we proposed freeform metasurface polarizers derived by adjoint-based inverse design of a full-Jones matrix with gradient-descent optimization. We designed multiple freeform polarizers with different filtered states of polarization (SOPs), including circular polarizers, elliptical polarizers, and linear polarizers that could cover the full Poincaré sphere. Note that near-unitary polarization dichroism and the ultrahigh polarization extinction ratio (ER) reaching 50 dB were achieved for optimized circular polarizers. The multiple freeform polarizers with filtered polarization state locating at four vertices of an inscribed regular tetrahedron of the Poincaré sphere are designed to form a full-Stokes parameters micropolarizer array. Our work provides a novel approach, we believe, for the design of meta-polarizers that may have potential applications in polarization imaging, polarization detection, and communication.
metasurface inverse design Jones matrix polarization imaging 
Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 023601
冯超 1,2,3何涛 1,2,3,*施宇智 1,2,3王占山 1,2,3程鑫彬 1,2,3
作者单位
摘要
1 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所,上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室,上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地,上海 200092
偏振作为光场的基本自由度,在众多光学技术领域中有着十分广泛的应用。光学器件的偏振操控性能常用琼斯矩阵来表示,琼斯矩阵中可控通道数目的多少表征了对应光学器件的偏振调控能力强弱。随着光学技术的蓬勃发展,诸如偏振成像、通信编码、光学加密等前沿应用迫切需要光学器件能够独立调控多个琼斯矩阵通道,同时兼顾小型化。超表面作为由人工亚波长微结构按照特定序列排列而成的平面光学器件,天然具备集成化的优势,且对电磁波具有强大的调控能力,有望在偏振光学器件领域发挥巨大作用。从超表面的相位、振幅调控机理出发,按照可调控的通道数目从少到多对超表面调控琼斯矩阵的发展进行了系统梳理,并对超表面琼斯矩阵调控技术的未来发展进行了展望。
超表面 琼斯矩阵 偏振调控 多功能集成 
激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0123001
作者单位
摘要
1 中国科学院 深圳先进技术研究院,广东 深圳 518000
2 深圳市三利谱光电科技股份有限公司 研发中心,广东 深圳 518107
3 河北工业大学 理学院,天津 300401
本文使用理论与实验相结合的方法研究了斜入射下液晶涂布型C-plate(Liquid crystal coated C-plate,LCC)对逆分散1/4波片(Reverse wavelength dispersion quarter wave plate,RQWP)补偿能力的优化特性。使用扩展琼斯矩阵比较了偏振光以任意角度通过RQWP、RQWP+LCC两种架构后出射光的椭圆率,探究了不同相位延迟RTH的LCC对出射光椭圆率的影响;测试了上述两种架构的圆偏光片在OLED(Organic light emitting-diode display)上的环境光反射率以及反射颜色色坐标。结果表明,LCC能够使45°斜入射时出射光的椭圆率提升10%以上,且在红、绿、蓝三色光条件下,调整LCC的RTH可使膜材架构的总折射率系数NZ趋近于0.5,获得最佳效果。使用RQWP+LCC架构的圆偏光片可使45°极角下OLED的环境光反射率降低3%。在工业生产中直接生产NZ=0.5的膜材拥有较高的技术难度,本文结论对开发NZ=0.5的膜材提供了新的可行方案。
斜入射 扩展琼斯矩阵 椭圆率 1/4波片 oblique incidence extended jones matrix method ellipticity quarter wave plate 
液晶与显示
2023, 38(10): 1338
作者单位
摘要
1 西北大学物理学院,陕西 西安 710127
2 西安飞行自动控制研究所飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室,陕西 西安 710076
偏振噪声是谐振式光纤陀螺谐振腔中较为严重的光学噪声之一。基于琼斯矩阵的方法建立完整的光路传输模型,对谐振腔顺时针和逆时针两路光传输进行分析,得到环境温度在-40 ℃~80 ℃范围内变化时偏振噪声导致的陀螺误差。结果表明,在线起偏器消光比为30 dB时,耦合器直通端对准角度误差小于2.78°,耦合系数为0.05,双90°熔接点两侧光纤长度差容错值在0.207 m以内,使得陀螺输出误差小于0.01(°)/h。基于此,当陀螺系统工作导致内部温度分布非均匀时,谐振腔上每相邻两段光纤间温度分布差需小于3.122 ℃。各影响因素的参数选择可为变温环境下由于偏振噪声导致的误差分配设计提供理论指导。
谐振式光纤陀螺 琼斯矩阵 偏振噪声 变温环境 
光学学报
2023, 43(19): 1906007
作者单位
摘要
首都师范大学物理系,北京 100048
提出一种在太赫兹波段检测物质琼斯矩阵的方法。利用太赫兹面阵成像系统对会聚太赫兹光场的纵向分量进行相干测量,由此提取太赫兹光场的偏振信息,并通过分别测量未放置样品、放置原始样品和样品旋转90°后的透射太赫兹光场偏振信息,提取样品的琼斯矩阵元素。利用此方法,分别对不同角度的太赫兹偏振片和波片进行了实验测量,并与理论结果进行比较,发现具有很好的一致性。研究结果说明,所提方法对表征物质在太赫兹波段的各向异性特征具有很好的实用性。
太赫兹 纵向分量 琼斯矩阵 偏振 
激光与光电子学进展
2023, 60(18): 1811016
作者单位
摘要
暨南大学纳米光子学研究院广东省纳米光学操控重点实验室,广东 广州 511443
超构表面是人工设计的二维平面结构,可为光学器件的小型化和集成化提供新的思路。近年来,随着这一领域的不断发展,基于超构表面光学的各种光场调控机理和功能器件被提出。本文以光场操控的琼斯矩阵自由度为出发点,对近十年来的超构表面光学进展进行归类和综述,总结不同自由度琼斯矩阵的设计方法和相应的应用,并展望多自由度的超构器件研究的发展趋势。
超构表面 琼斯矩阵 多自由度 相位调控 振幅调控 
光学学报
2023, 43(16): 1623007
作者单位
摘要
1 西安工业大学 兵器科学与技术学院,陕西 西安 710021
2 西安工业大学 西安市主动光电成像探测技术重点实验室,陕西 西安 710021
3 长春理工大学 电子信息工程学院,吉林 长春 130022
针对光束在级联式液晶偏振光栅传播过程中的斜入射现象会改变其椭圆率进而降低衍射效率的问题,提出了基于偏振补偿的级联式液晶偏振光栅衍射效率优化方法。运用扩展琼斯矩阵分析斜入射角度对液晶偏振光栅相位延迟的影响,结合斯托克斯参数求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅出射光束椭圆率的变化,利用矢量衍射理论完成级联式液晶偏振光栅衍射效率模型的建立。基于液晶分子指向矢分布建立斜入射下液晶电控波片的坐标系,分析斜入射角度对液晶电控波片相位延迟的影响,推导出液晶电控波片相位延迟与椭圆率的关系。通过优化液晶电控波片的工作电压补偿斜入射造成的退偏量,实现对椭圆率的偏振补偿。搭建实验平台验证了理论的准确性与方法的有效性。根据测量结果可知,当光束偏转角度从-5°偏转到5°时,本文所提方法提高了级联式液晶偏振光栅3%~4%的衍射效率。
级联式液晶偏振光栅 衍射效率 扩展琼斯矩阵 斯托克斯参数 液晶电控波片 cascaded liquid crystal polarization gratings diffraction efficiency extended Jones matrix stokes parameter liquid crystal variable retarder 
液晶与显示
2023, 38(7): 880
作者单位
摘要
1 西安工业大学 兵器科学与技术学院,陕西 西安 710021
2 长春理工大学 电子信息工程学院,吉林 长春 130022
为了表征光束倾斜入射下液晶偏振光栅的衍射特性,提出了液晶偏振光栅斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型建模方法。该方法利用吉布斯自由能方程,求解液晶分子指向矢,得到驱动电压与液晶分子倾斜角的表达式,推导出斜入射角度与相位延迟量之间的关系,结合扩展琼斯矩阵表征不同入射角度下液晶偏振光栅的透过率,通过矢量衍射理论,建立了斜入射角度-驱动电压-衍射效率的三维模型。该模型不仅可以定量求解不同斜入射角度下液晶偏振光栅衍射效率,而且能够实现衍射效率最优时驱动电压的标定。通过仿真分析和实验对该模型的有效性进行了验证,结果表明:光束入射角度从0°倾斜到10°时,最优驱动电压由2.2 V降低到2.0 V,液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到78%;光束入射角度从0°倾斜到−10°时,最优驱动电压由2.2 V升高到2.4 V,液晶偏振光栅衍射效率从85%下降到74%。
液晶偏振光栅 指向矢 扩展琼斯矩阵 斜入射 衍射效率 liquid crystal polarization grating director extended Jones matrix oblique incidence diffraction efficiency 
红外与激光工程
2022, 51(7): 20210511
郁菲茏 1,2陈金 1,2赵增月 1,2李冠海 1,2,*[ ... ]陆卫 1,2
作者单位
摘要
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室,上海 200083
2 中国科学院大学,北京 100049
人工微结构超表面近年来在偏振调控与色散调控领域都取得了诸多进展,然而传统方法计算超表面结构对椭圆偏振态的调控效果需要对每一个数据求解方程,因此实现任意偏振的消色差调控依然在复杂度上是一个挑战。一种基于坐标变换的正向计算方法用以快速计算超表面单元对任意偏振态的调控效果被提出,利用纯硅体系下的椭圆柱结构作为调控单元设计了工作在中红外波段的对椭圆偏振态调控的消色差聚焦超表面透镜。结果表明,此种方法与设计在极大简化计算流程的情况下,能够有效实现对椭圆偏振态的操控。相比于之前所报道的基于圆偏振或无偏振依赖的设计,该方法进一步拓展了超表面色散调控的应用范围,具有广阔的应用前景。
超表面 椭圆偏振消色差 琼斯矩阵 正向计算 metasurface elliptical polarization achromatic Jones matrix forward calculation 
红外与毫米波学报
2022, 41(4): 792

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