Per la prima volta, i ricercatori hanno utilizzato strati ultrasottili di strutture 2-D note come metasuperfici per creare ologrammi in grado di misurare la polarizzazione della luce. I nuovi ologrammi della metasuperficie potrebbero essere utilizzati per creare dispositivi molto veloci e compatti per misurazioni di polarizzazione, utilizzati in spettroscopia, applicazioni di rilevamento e comunicazione.

Le metasuperfici sono elementi ottici con caratteristiche su scala nanometrica e uno spessore complessivo inferiore a 1/50 di quello di un capello umano. Possono essere realizzati con tecniche di fabbricazione microelettronica standard, consentire la produzione di massa, e può essere facilmente integrato in sistemi ottici su scala wafer. Nonostante queste caratteristiche promettenti, non sono ancora utilizzati in molte applicazioni pratiche.

In ottica , la rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, un gruppo multi-istituzionale di ricercatori riferisce di utilizzare ologrammi di metasuperficie per determinare in modo efficace e rapido la polarizzazione alle lunghezze d'onda dal vicino infrarosso al visibile. Il nuovo lavoro rappresenta un passo avanti verso dispositivi funzionali basati su metasuperfici per supportare una gamma di applicazioni dalle telecomunicazioni all'analisi chimica.

"Gli ologrammi realizzati con metasuperfici sono un modo efficiente ed efficace per generare immagini di alta qualità con risoluzione della lunghezza d'onda inferiore, " ha affermato il capo del gruppo di ricerca Xueqian Zhang dell'Università di Tianjin, Cina. "Il nostro lavoro applica in modo univoco gli ologrammi della metasuperficie alle misurazioni di polarizzazione, che potrebbe consentire dispositivi delle dimensioni di una fotocamera che misurano la polarizzazione in un solo passaggio senza parti mobili".

Misurazione diretta della polarizzazione

Sebbene la luce solare e la maggior parte delle sorgenti luminose domestiche emettano luce non polarizzata che oscilla in tutte le direzioni, componenti ottici come i filtri possono essere utilizzati per produrre luce polarizzata che si propaga in un solo piano, tipicamente verticale o orizzontale. Strumenti analitici come gli spettrometri possono misurare come cambia la polarizzazione della luce dopo aver interagito con un materiale per determinarne le proprietà fisiche. È inoltre possibile utilizzare diverse polarizzazioni della luce per inviare segnali multipli attraverso fibre ottiche per applicazioni di telecomunicazione.

I metodi convenzionali per determinare la polarizzazione spesso richiedono misurazioni multiple, configurazioni ottiche ingombranti o regolazione precisa di componenti ottici di alta qualità per determinare indirettamente lo stato di polarizzazione. Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno invece utilizzato una metasuperficie per determinare direttamente la polarizzazione confrontando l'ampiezza e la fase delle onde luminose polarizzate ad angolo retto rispetto a se stesse.

La metasuperficie genera due immagini olografiche sovrapposte, uno che è polarizzato circolarmente sinistrorso (LCP) e un altro che è polarizzato circolarmente destrorso (RCP). La luce polarizzata circolarmente presenta un piano di oscillazione del campo elettrico che ruota a sinistra oa destra in un piano perpendicolare alla direzione dell'onda.

"Le immagini sovrapposte possono essere catturate in modo semplice e veloce utilizzando una telecamera CCD, " disse Zhang.

"Analizzando l'interferenza delle due immagini olografiche, possiamo ottenere il contrasto di ampiezza e la differenza di fase tra le componenti LCP e RCP del fascio incidente, identificando così lo stato di polarizzazione."

La chiave della nuova tecnica era un algoritmo chiamato Gerchberg-Saxton, che è ampiamente utilizzato nella ricerca olografica. I ricercatori hanno scoperto come modificare questo algoritmo in modo che potesse essere utilizzato per identificare la differenza di fase tra i componenti LCP e RCP della luce incidente nelle immagini olografiche sovrapposte.

Misure di polarizzazione efficaci

I ricercatori hanno dimostrato il loro nuovo approccio olografico sulla metasuperficie utilizzandolo per misurare gli stati di polarizzazione dei fasci di luce illuminanti con polarizzazioni note. Gli stati di polarizzazione misurati combaciavano bene con quelli noti, confermando l'efficacia dell'approccio. Nel futuro, la metasuperficie potrebbe essere incorporata nell'area fotosensibile di una fotocamera per creare un dispositivo compatto per misurare la polarizzazione.

La metasuperficie utilizzata dai ricercatori si basa sul metodo della fase Pancharatnam-Berry (noto anche come fase geometrica), che presenta risposte di fase relative che non mostrano alcuna dispersione. Ciò consente agli ologrammi della metasuperficie di funzionare su un'ampia gamma di lunghezze d'onda.

"Il nostro metodo può essere esteso a molte potenziali applicazioni che richiedono la misurazione della polarizzazione, come la spettroscopia di polarizzazione, rilevamento e comunicazione, " ha detto Zhang. "L'olografia codificata per polarizzazione potrebbe essere utilizzata anche per la trasmissione di informazioni di sicurezza perché solo un ricevitore che conosce gli stati di polarizzazione desiderati potrebbe decodificare le informazioni dalle immagini olografiche finali".

Ora che hanno dimostrato il concetto, i ricercatori intendono migliorare l'efficienza del metodo e ne confronteranno le prestazioni con gli strumenti commerciali convenzionali utilizzati per misurare la polarizzazione.