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光學(xué)超表面（Optical Metasurface，以下簡稱“OMS”）是一種由人工微結(jié)構(gòu)組成的超薄平面器件，由于其具有超薄結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的可自主設(shè)計(jì)性，被視為光學(xué)領(lǐng)域新的革命性技術(shù)。近些年，各種OMS應(yīng)用也不斷呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長態(tài)勢。

對于高度集成的光學(xué)系統(tǒng)而言，高性能的光學(xué)偏振操控器是實(shí)現(xiàn)其小型化和功能多樣化的重要前提。通過改變OMS組成單元的幾何形狀和排布方式等，可以靈活地調(diào)控入射光的振幅、相位、偏振態(tài)和色散等參量。不過，由于OMS工作波長范圍（涉及共振）或雙折射調(diào)諧范圍的限制，想要實(shí)現(xiàn)高效、快速和寬帶的動(dòng)態(tài)偏振控制，仍然是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的問題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自南丹麥大學(xué)納米光學(xué)中心的研究團(tuán)隊(duì)，通過將壓電MEMS薄膜與間隙表面等離子體（gap-surface plasmon，以下簡稱“GSP”）OMS相結(jié)合開發(fā)出電學(xué)動(dòng)態(tài)MEMS-OMS系統(tǒng)，并基于此構(gòu)建出一種雙折射可調(diào)諧動(dòng)態(tài)波片（dynamic wave plate，以下簡稱“DWP”）控制器，該DWP偏振控制器具備高偏振轉(zhuǎn)換效率（~75%）、寬帶操作（~100nm附近工作波長為800nm）、快速響應(yīng)（<0.4ms），且能夠沿著由入射光偏振和DWP方向確定的軌跡環(huán)繞龐加萊球（Poincare）實(shí)現(xiàn)全范圍連續(xù)可調(diào)的雙折射控制。該研究成果已發(fā)表在Nature Communications期刊。

該DWP偏振控制器對光束連續(xù)可調(diào)的控制效果得益于OMS的各向異性。該控制器由帶有OMS結(jié)構(gòu)的玻璃基板構(gòu)成，組裝在可移動(dòng)的MEMS微鏡上，通過施加驅(qū)動(dòng)電壓，可精確控制MEMS微鏡和OMS之間的分離，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的雙折射控制。

基于電學(xué)動(dòng)態(tài)MEMS-OMS系統(tǒng)的DWP偏振控制器

當(dāng)DWP在MEMS微鏡中工作時(shí)，表現(xiàn)出連續(xù)可調(diào)的各向異性，能夠完全環(huán)繞龐加萊球，例如從線性偏振向圓、正交線性和相反圓偏振轉(zhuǎn)換。MEMS微鏡通過驅(qū)動(dòng)電壓改變其與OMS之間的距離，以此控制DWP產(chǎn)生雙折射并不斷調(diào)整反射光的偏振態(tài)。例如，當(dāng)一束偏振光入射到DWP上時(shí)，圍繞龐加萊球的不同偏振軌跡可作為不同的DWP方向，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的改變，反射光的偏振態(tài)也不斷發(fā)生調(diào)整。

相對DWP軸以45°方向入射線性偏振光發(fā)生的偏振轉(zhuǎn)換

除了評估DWP偏振可調(diào)諧性、偏振轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)時(shí)間外，研究人員還將DWP與四分之一波片（QWP）結(jié)合，對其連續(xù)線性偏振旋轉(zhuǎn)的可能性進(jìn)行了分析。研究表明該DWP偏振控制器的各項(xiàng)性能與仿真效果非常吻合，同時(shí)也證明了該建模設(shè)計(jì)方法可適用于未來各種MEMS-OMS控制器的開發(fā)。

固定角度入射線性偏振光發(fā)生的偏振轉(zhuǎn)換

多種角度入射線性偏振光實(shí)現(xiàn)的多樣化偏振轉(zhuǎn)換

該項(xiàng)研究成功展示了基于MEMS-OMS的DWP偏振控制器能夠?qū)馄駥?shí)現(xiàn)完全的動(dòng)態(tài)控制。其設(shè)計(jì)開發(fā)策略為集成高性能、緊湊型動(dòng)態(tài)偏振控制器開辟了新的路徑，將進(jìn)一步推進(jìn)可重構(gòu)、自適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)和光系統(tǒng)的小型化趨勢。

論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-29798-0