Miniaturização da polarimetria: captura de parâmetros Full Stokes de alta precisão em um único chip

Fundo

A polarização óptica é uma das características mais fundamentais e poderosas da luz, essencial para uma ampla gama de aplicações, incluindo comunicações ópticas, sensoriamento remoto, cosmologia e biomedicina. Para capturar com precisão os parâmetros de polarização de Stokes, os polarímetros baseados em componentes ópticos discretos – como prismas, lentes, filtros, polarizadores e placas de onda – foram bem estabelecidos. No entanto, esses sistemas ópticos volumosos e complexos representam desafios para a miniaturização, especialmente à medida que cresce a demanda por dispositivos compactos com leitura elétrica direta em uma plataforma em escala de chip.

Motivação

O formalismo de Stokes-Mueller é um conceito basic em óptica (Figo. 1a), descrevendo com sucesso a relação linear entre os vetores de luz de Stokes de entrada e saída quando ela interage com materiais. Este formalismo normalmente se aplica a campos de luz com frentes de onda planares bem definidas. No entanto, para materiais de detecção integrados com nanoestruturas ou metassuperfícies, a luz incidente transforma-se em complicados campos próximos sem frentes de onda definidas, que são então absorvidos para gerar fotocorrente. Neste caso, o formalismo de Stokes-Mueller não se aplica. Encontrar um método para recuperar as informações de polarização diretamente das fotocorrentes medidas permite dispositivos compactos sem a necessidade de componentes ópticos volumosos. No entanto, o desenvolvimento de uma estrutura para caracterizar a conversão optoeletrônica na detecção de polarização continua sendo um problema não resolvido (Figo. 1b).

Inovação

Nesta pesquisa, nosso grupo, liderado pelo Prof. X. Chen e Prof. J. Zhou no SITP, CAS, em colaboração com o Prof. O grupo Qiu da NUS desenvolveu um polarímetro full-Stokes miniaturizado em escala de chip com base no novo conceito de autovetores de polarização optoeletrônica (OPEVs). Inspirados no formalismo de Stoke-Mueller, estamos entusiasmados em encontrar os OPEVs, que descrevem a relação linear entre a fotocorrente e o vetor Stokes incidentecomo um análogo optoeletrônico do cálculo de Stokes-Muller. Notavelmente, o conceito OPEV se aplica independentemente do tipo de estruturas fotônicas integradas ao materials de detecção ou se o próprio materials de detecção é isotrópico, anisotrópico ou quiral. Aqui, demonstramos isso com um MoS integrado à metassuperfície₂ dispositivo composto por quatro subpixels, cada um correspondendo a um OPEV distinto (Figo. 2a e b). A informação de polarização é codificada por esses OPEVs nos quatro subpixels, o que permite a leitura elétrica direta. No espaço de polarização, os OPEVs desses subpixels formam um tetraedro (Figo. 2c). A magnitude do componente fotocorrente polarizado para o subpixel-I, por exemplo, é representada pela cor na superfície da esfera de Poincaré (Figo. 2d).

Validação

Com base no dispositivo de prova de conceito descrito acima, a reconstrução completa de Stokes é formulada como a solução de um problema inverso. Aqui, as fotocorrentes de quatro subpixels formam um vetor de fotocorrente que representa a projeção do vetor Stokes de entrada em uma matriz definida pelos OPEVs (Figo. 3um). Uma relação de mapeamento é estabelecida entre o vetor fotocorrente e o vetor Stokes. Consequentemente, o polarímetro integrado na metassuperfície foi otimizado para minimizar o número de condição desta matriz de acordo com o conhecimento da álgebra linear. Então, todos os quatro parâmetros de Stokes podem ser reconstruídos a partir dos quatro valores de fotocorrente medidos. Para maior precisão da reconstrução, também foi empregado um modelo de regressão de processo gaussiano. Como mostrado em Figo. 3b, a entrada selecionada aleatoriamente e os parâmetros de Stokes reconstruídos são mostrados na esfera de Poincaré. Nosso dispositivo valida a mais ampla cobertura de estados de polarização em toda a esfera de Poincaré e atinge o menor erro de reconstrução full-Stokes relatado (rmse <1%) entre os polarímetros no detector no chip (Figo. 3c).

Até agora, uma estrutura abrangente para miniaturizar a polarimetria foi estabelecida e validada. Este método mostra-se promissor para adaptação a matrizes de plano focal e para ampliar sua aplicação aos principais materiais de detecção de infravermelho – como MCT, QWIP, InGaAs e T2SLs – com potencial para impulsionar avanços emocionantes e impactantes no regime de infravermelho.

Para mais detalhes, consulte nossa recente publicação em Eletrônica da Natureza: “Um polarímetro full-Stokes on-chip baseado em autovetores de polarização optoeletrônica”. https://doi.org/10.1038/s41928-024-01287-w