研究背景

中波紅外（MWIR）作為“分子指紋”密集區(qū)，不僅包含了眾多重要的分子振動特征吸收峰，還是紅外波段的三個大氣傳輸窗口之一，在氣體檢測、航天遙感、空間通信、紅外對抗等應(yīng)用中發(fā)揮著不可替代的作用。

對中波紅外光子波長和偏振等維度的解析是對目標(biāo)進(jìn)行探測與識別的重要手段。傳統(tǒng)方法通常需要借助級聯(lián)多個光學(xué)元件，通過分時間或分空間的方法來完成，這些方案都具有較大的體積、質(zhì)量與功耗，調(diào)諧響應(yīng)速度較慢，同時大量運(yùn)動部件的存在導(dǎo)致器件對溫度、濕度、振動等環(huán)境穩(wěn)定性要求較高，不利于系統(tǒng)集成與在特殊工況下的使用，限制了其在對此類性能敏感領(lǐng)域的應(yīng)用。

超表面的出現(xiàn)為在亞波長尺度下獨(dú)立操縱光子的多個維度屬性提供了強(qiáng)大而靈活的器件平臺。相比傳統(tǒng)器件，在波長、偏振維度調(diào)控方面，更為緊湊的超表面器件已經(jīng)被證實其巨大的潛力。然而，現(xiàn)有方法在多偏振與多波長的探測上通常采用叉指/分塊的方法，導(dǎo)致不同數(shù)據(jù)通道間的串?dāng)_與能量損失。如何在不同波長上實現(xiàn)無損耗的任意偏振操控從而進(jìn)行波長與全偏振狀態(tài)信息的同步探測仍未有解決方案。

創(chuàng)新研究

本文中研究團(tuán)隊提出了一種能夠在不同光譜維度下按需復(fù)用的組合單元相干超表面單元。通過色散瓊斯矩陣的疊加構(gòu)造波長解耦來打破本征偏振約束，在多個離散波長獨(dú)立選擇任意正交偏振基并進(jìn)行復(fù)用調(diào)控，降低串?dāng)_并提升效率。

如圖1所示，在低照明背景下，需要通過載荷區(qū)分具有不同光譜和偏振信息的復(fù)雜典型目標(biāo)。然而，對于傳統(tǒng)的超表面單元結(jié)構(gòu)，其調(diào)控路徑受到幾何對稱方向的限制。為了打破不同波長-偏振調(diào)控固有的本征偏振約束，研究團(tuán)隊提出了一種色散瓊斯矩陣方法，通過用4個全硅單元構(gòu)造波長解耦的相干結(jié)構(gòu)。為了保證超單元在所有3個波長和6個偏振通道上的高性能，通過粒子群-遺傳算法對單元的周期幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終實現(xiàn)在多個波長維度上任意的偏振調(diào)控。

圖1. 波長解耦相干單元在光譜維度的多偏振調(diào)控。（a）低照度背景下復(fù)雜目標(biāo)的光譜和偏振識別示意圖；（b）傳統(tǒng)幾何相位操控中超表面單元的旋轉(zhuǎn)角θ與本征偏振的關(guān)系；（c）波長解耦相干超單元示意圖；（d）多色全偏振超透鏡的功能示意圖。

研究團(tuán)隊制備了一個具有代表性的多色全偏振調(diào)控器件，被實驗證明可以在三個波長的空間分離通道上生成三對任意選擇的正交偏振上的消色差聚焦點(diǎn)。其模擬了傳統(tǒng)級聯(lián)的濾光片、偏振片和波片的功能。三對正交偏振態(tài)分別為3.0 μm-線偏振、3.6 μm-橢圓偏振（橢圓率30°）和4.5 μm-圓偏振。值得注意的是，雖然此方案只用了四個相干像素，但它仍然適用于多個波長，偏振態(tài)的形式是任意的。如圖2所示，研究團(tuán)隊進(jìn)一步拓展并實現(xiàn)了一個十通道超表面器件，在Poincaré球上展示的五組不同正交偏振態(tài)與設(shè)計吻合。

圖2. 本征偏振調(diào)控超表面的制備與調(diào)控。（a）樣品加工SEM圖；（b）基于混合進(jìn)化算法的超透鏡的優(yōu)化結(jié)果；（c）五波長、十偏振通道在龐加萊球上的表示；（d）選定的五個波長下，不同偏振的聚焦點(diǎn)在焦平面上的分布，插圖顯示了對應(yīng)的偏振態(tài)。 研究團(tuán)隊通過理論分析、仿真計算與實驗測試證實了基于四單元組合通過色散瓊斯矩陣疊加的方式實現(xiàn)無串?dāng)_、高效率的多離散波長下任意正交偏振態(tài)的同步操控，為超表面器件從物理層面突破光譜-偏振多維度、多自由度調(diào)控限制提供了有益的探索，有助于滿足天基遙感、國土安全等方面的需求。

審核編輯：劉清