Kompaktowy polarymetr wbudowany w chip mierzy polaryzację światła z dużą dokładnością

Niezawodny pomiar stanu polaryzacji światła ma kluczowe znaczenie dla różnych zastosowań technologicznych, od komunikacji optycznej po obrazowanie biomedyczne. Jednak konwencjonalne polarymetry składają się z nieporęcznych elementów, co utrudnia ich zmniejszenie i ogranicza ich powszechne zastosowanie.

Naukowcy z Szanghajskiego Instytutu Fizyki Technicznej (SITP) Chińskiej Akademii Nauk i innych instytutów opracowali niedawno wbudowany w układ scalony polarymetr Stokesa, który mógłby być łatwiejszy do wdrożenia na dużą skalę. Ich urządzenie, zaprezentowane w papier W Elektronika naturyopiera się na optoelektronicznych wektorach własnych polaryzacji, czyli równaniach matematycznych przedstawiających liniową zależność pomiędzy padającym wektorem Stokesa a fotoprądem detektora.

„Napędzaniem tych prac było rosnące zapotrzebowanie na kompaktowe, wysokowydajne urządzenia do analizy polaryzacji w optoelektronice” – powiedział Phys.org Jing Zhou, autor korespondujący z artykułem. „Tradycyjne polarymetry, które opierają się na dyskretnych, nieporęcznych elementach optycznych, stwarzają poważne wyzwania w zakresie miniaturyzacji i ograniczają ich szersze zastosowanie. Naszym głównym celem jest opracowanie rozwiązania na chipie zdolnego do bezpośredniego odczytu elektrycznego w celu rekonstrukcji stanów polaryzacji pełnego Stokesa”.

Zhou i jego współpracownicy odkryli nową strategię pomiaru polaryzacji światła. Strategia ta opiera się na nowej koncepcji fizycznej znanej jako optoelektroniczny wektor własny polaryzacji (OPEV), który matematycznie wyraża liniową zależność pomiędzy padającym wektorem Stokesa a fotoprądem przepływającym przez detektor.

„Następnie opracowujemy nowatorską metodę wykrywania polaryzacji pełnego Stokesa o wysokiej dokładności, konfigurując cztery OPEV tak, aby tworzyły zoptymalizowaną matrycę konwersji optoelektronicznej (OCM)” – powiedział Zhou.

„Ostatecznie opracowaliśmy wbudowany polarymetr Full Stokesa w oparciu o to podejście i uzyskaliśmy bardzo dokładną rekonstrukcję Full Stokesa w kompaktowej formie, wypełniając lukę pomiędzy tradycyjnymi, nieporęcznymi konfiguracjami a nowoczesnymi, inteligentnymi systemami optoelektronicznymi. Urządzenie zostało zaprojektowane i zoptymalizowane w oparciu o koncepcję optoelektronicznych wektorów własnych polaryzacji.”

Urządzenie opracowane przez naukowców koduje informacje o polaryzacji na sygnały elektryczne za pośrednictwem wektorów własnych wykorzystujących metapowierzchnię. Proces ten umożliwia uchwycenie parametrów pełnego Stokesa poprzez rozwiązanie odwrotnego problemu, zasadniczo rekonstruując dowolne nieznane stany polaryzacji z czterech mierzalnych fotoprądów subpikseli.

„W procesie rekonstrukcji wykorzystywany jest również algorytm uczenia maszynowego (regresja procesu Gaussa)” – powiedział Zhou. „Główna innowacja polega na manipulacji wektorami własnymi za pomocą metapowierzchni w ramach przestrzeni parametrów Stokesa, uwzględniając wymagania symetrii, geometrii i ich rozmieszczenia. Podejście to eliminuje potrzebę stosowania zewnętrznych elementów optycznych powszechnie wymaganych w konwencjonalnych systemach polarymetrycznych. Dodatkowo metapowierzchnia zwiększa fotoreakcję materiałów do wykrywania podczerwieni poprzez zlokalizowane pola optyczne.”

Urządzenie opracowane przez Zhou i jego współpracowników ma wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi polarymetrami. Co najważniejsze, można go zminiaturyzować, osiągając jednocześnie wysoki poziom dokładności i duże prędkości działania. Ponadto jest kompatybilny z matrycami płaszczyzny ogniskowej, co może utorować drogę dla bardziej interesujących zastosowań polarymetrycznych w widmie podczerwieni.

„Jednym z naszych najbardziej godnych uwagi odkryć jest ustalenie jasnego i zwięzłego liniowego odwzorowania zależności pomiędzy wektorem Stokesa padającego światła a fotoprądem fotodetektora” – powiedział Zhou.

„Ta zależność, którą nazywamy optoelektronicznymi wektorami własnymi polaryzacji, stanowi kluczową podstawę do badania różnych konwersji optoelektronicznych związanych z polaryzacją optyczną. Ta zależność ogólnie działa w przypadku wszystkich detektorów prawa kwadratowego, których fotoreakcja jest proporcjonalna do odbieranej mocy światła”.

We wstępnych testach opracowane przez naukowców urządzenie osiągnęło niezwykłe wyniki, odtwarzając cały zakres stanów polaryzacji przy dowolnym natężeniu światła ze średniokwadratowym błędem mniejszym niż 1%. Nowy polarymetr można wykorzystać do zbierania dokładnych pomiarów polaryzacji w czasie rzeczywistym, co może być korzystne w różnych zastosowaniach, w tym w komunikacji optycznej, teledetekcji, kosmologii i diagnostyce biomedycznej.

„Nasze przyszłe badania będą w dalszym ciągu koncentrować się na zwiększeniu wydajności i wytrzymałości urządzenia, rozszerzeniu jego zastosowania na bardziej popularne materiały do ​​wykrywania podczerwieni — takich jak MCT, QWIP, InGaA i T2SL — oraz badaniu jego potencjału w nowych dziedzinach, takich jak komunikacja kwantowa i autonomiczne systemy wykrywania” – dodał Zhou.

„Dodatkowo planujemy dalszy postęp w spektropolarymetrii, kładąc nacisk na konwersję optoelektroniczną i elektryczny odczyt wielowymiarowych informacji o świetle i interakcjach światło-materia”.

© 2024 Sieć Science X