Beam-Size-invariante Spektropolarimeter unter Verwendung von Gap-Plasmon-Metasurfaces

Metasurfaces ermöglichen eine außergewöhnliche Kontrolle über das Licht mit oberflächenkonfinierten planar Komponenten und bieten die faszinierende Möglichkeit einer sehr dichten Integration und Miniaturisierung in der Photonik. Hier entwerfen, fertigen und demonstrieren wir experimentell Chip-große plasmonische Spektropolarimeter, die aus drei Gap-Plasmon-Phasengradienten-Metasurfaces bestehen, die jeweils 120°-kreisförmige Sektoren einnehmen, zur gleichzeitigen Bestimmung des Polarisationszustands und der Wellenlänge. Die Spektropolarimeter diffraktieren normal einfallendes Licht in sechs vordesignierte Richtungen, deren Polarwinkel proportional zur Lichtwellenlänge sind, während Kontraste in den entsprechenden Diffractionsintensitäten eine direkte Messung des einfallenden Polarisationszustands ermöglichen, indem die zugehörigen Stokes-Parameter abgerufen werden. Das Proof-of-Concept-Spektropolarimeter mit einem Durchmesser von 96 μm, das im Wellenlängenbereich von 750–950 nm arbeitet, zeigt die erwartete Polarisationsselektivität und hohe Winkeldispersion (0,0133°/nm für den |x⟩-Kanal). Darüber hinaus zeigen wir, dass aufgrund des Designs im kreisförmigen Sektor die Polarisationsanalyse für optische Strahlen unterschiedlicher Durchmesser ohne vorherige Kalibrierung durchgeführt werden kann, wobei die beam-size-invariante Funktionalität demonstriert wird. Die vorgeschlagenen Spektropolarimeter sind kompakt, kosteneffektiv und robust und versprechen hochleistungsfähige Echtzeitmessungen der Polarisation und des Spektrums.