上海技物所李冠海副研究員、陳效雙和陸衛(wèi)研究員團隊與澳大利亞新南威爾士大學Andrey E. Miroshnichenko教授團隊合作，利用超表面對中波紅外光子偏振、相位和色散等維度的獨特操控能力，提出了一種可用于中波紅外偏振探測集成的高效多功能偏振-色散調(diào)制超構(gòu)光子器件(如圖1)，相關(guān)結(jié)果9月12日以 “Mid-Infrared Polarization-Controlled Broadband Achromatic metadevice”為題在線發(fā)表于《科學進展》（Science Advances）雜志。

圖1（A）多功能硅基超構(gòu)表面的偏振調(diào)控寬帶消色差聚焦渦旋光束產(chǎn)生示意圖。(B)不同偏振態(tài)下光斑中心橫向位移隨波長的變化曲線。(C)不同波長下測量的偏振消光比。(D)不同波長下聚焦光斑的半高寬和理論極限。

透鏡作為最簡單、最常見的光學元件，不論是在日常生活中的拍照手機、專業(yè)攝影的數(shù)碼相機，抑或是用于觀測宇宙起源、天體運行規(guī)律的天文望遠鏡，無一例外都需要借助透鏡來實現(xiàn)其精密而復雜的功能。傳統(tǒng)的光學元件幾乎都是通過機械研磨拋光來實現(xiàn)特殊的曲面構(gòu)型，其存在體積和重量大、光子調(diào)控維度單一、難于集成等問題，尤其對航空航天等對體積、重量更為敏感的領(lǐng)域造成了嚴重制約。偏振探測是在傳統(tǒng)強度成像的基礎上通過提取特定偏振信息來抑制背景噪聲，對偽裝或虛假目標的探測與識別具有獨特的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的偏振探測系統(tǒng)是通過振幅分割、時間分割或者像素分割等方式利用分立式的偏振片、棱鏡和透鏡級聯(lián)的方法來進行偏振信息的獲取。這樣的光學系統(tǒng)通常體積和重量較大，同時不具備消色差功能，對寬波段偏振光電集成探測系統(tǒng)造成了限制。因此，發(fā)展應用于紅外寬波段的小型化、可集成的偏振-色散調(diào)制光學器件變得愈發(fā)迫切。超表面器件具有更輕薄、更緊湊的平面空間構(gòu)型，更重要的是它可以在亞波長尺度對光子多個維度進行選擇性的操控，這給我們在具有重要應用背景的大氣窗口-中波紅外波段提供了機遇。

本研究通過與硅基集成電路兼容的曝光和刻蝕工藝制作出一個比一張紙還要薄的“3D眼鏡”，可對不同偏振態(tài)和不同顏色的光線進行聚焦、偏折、色散操作，性能還和傳統(tǒng)的由一系列級聯(lián)透鏡、棱鏡、偏振片制作而成的光學系統(tǒng)相當。如圖A所示，在連續(xù)的設計帶寬內(nèi)，不同偏振態(tài)的光子經(jīng)過超表面器件調(diào)制后將攜帶不同的軌道角動量信息，并被收集到設定的焦平面上。另外，通過在超表面器件的調(diào)制偏振-相位色散譜中引入離軸相位因子，對寬帶光束實現(xiàn)了無色撒的定向聚束調(diào)控。由于偏振態(tài)的聯(lián)合操控，在連續(xù)帶寬內(nèi)不同偏振態(tài)的入射光子也以高的偏振隔離度被收集匯聚到焦平面的不同設計區(qū)域（圖1B）。實現(xiàn)結(jié)果表明，聚焦光斑具有接近衍射極限的尺寸和高偏振選擇比（圖1C, D）。該研究成果有望在寬譜偏振成像、自由空間量子通信、機器視覺以及信息加密等領(lǐng)域得到應用。

李冠海副研究員、陳效雙研究員和Andrey E. Miroshnichenko教授為文章共同通訊作者，博士研究生歐凱、郁菲蘢為文章的共同第一作者。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃量子調(diào)控和量子信息專項、國家自然科學基金委、上海市科委、中國科學院青年創(chuàng)新促進會和上海技物所創(chuàng)新計劃等項目的支持。