Espectros de mineralogía multifocal y polarización

Nueva publicación de Optoelectrónica; DOI 10.29026 / oes.2023.220026 La mineralogía multifocal se considera para la identificación, polarización y reconstrucción de espectros.

Como propiedades fundamentales de la luz, los espectros y la polarización contienen información vital sobre la propagación de las ondas de luz. Por ejemplo, las imágenes espectrales pueden reflejar la composición física de los objetos, mientras que las imágenes polares contienen información sobre la textura de la superficie, la polarización de la luz y/o la distribución espacial de las propiedades ópticas de una escena. Debido a la importante información proporcionada por la polarización y la longitud de onda de la luz, las técnicas de imagen multiespectral y de polarización son de gran interés en diversos campos de la ciencia y la tecnología, como la arqueología, la biología, la teledetección y la astronomía. Los dispositivos convencionales de generación de imágenes multiespectrales y de polarización se basan en filtros y analizadores de polarización, que generalmente requieren que se tomen varias instantáneas para recopilar la información óptica deseada y consisten en sistemas voluminosos de trayectos múltiples o partes mecánicamente móviles y son difíciles de integrar en sistemas ópticos integrados compactos.

Se muestran metasuperficies descriptivas que logran un control completo sobre las propiedades de la luz, como fases, amplitudes y estados de polarización. Como dispositivos ópticos bidimensionales compuestos por nanoestructuras de longitud de onda inferior, las metasuperficies son adecuadas para el diseño de sistemas integrados. Hoy en día, las metasuperficies se han utilizado en muchos tipos diferentes de dispositivos ópticos funcionales, como pantallas ópticas, dispositivos de momento angular orbital, divisores de haz, elementos de metaholografía e imágenes de campo de luz.

Para lograr diseños integrados y compactos, se han utilizado elementos de metasuperficie en polarización y sistemas ópticos multiespectrales. Sin embargo, todavía hay una falta de dispositivos metalúrgicos que puedan lograr simultáneamente funciones de resolución de espectro y polarización mientras mantienen un buen rendimiento de imagen con una gran apertura numérica (NA). Técnicamente, aunque se requieren al menos tres proyecciones para determinar el estado de polarización, la longitud del campo de Poincaré (también expresada como elipsoide de polarización) puede reflejar abundante información sobre la escena.

Los grupos de investigación del profesor Wei Xiong, el profesor Jinsong Xia y el profesor Hui Gao de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong propusieron un método elíptico espectral y de polarización resuelto mediante la metodología SPMM para realizar la elipticidad espectral y de polarización. Una solución de imagen sin necesidad de piezas móviles ni ópticas espectrales y polarizadoras voluminosas.

A diferencia de los sistemas comunes de imágenes multiespectrales o de polarización demostrados anteriormente, SPMM puede recopilar la información óptica requerida con solo una instantánea debido a las doce imágenes espectrales y dependientes de la polarización en diferentes ubicaciones, lo que simplifica el proceso de recopilación de información visual. En este diseño de SPMM, las posiciones e intensidades de los focos/imágenes se pueden cambiar en el plano focal/de imagen ajustando las elipticidades de polarización y/o los espectros de los rayos de luz incidentes. Por lo tanto, el SPMM desarrollado posee capacidades tanto de detección como de reconstrucción para elipses de polarización específicas y longitudes de onda discretas (o bandas espectrales) mientras mantiene las funciones metalúrgicas normales, como el enfoque y la formación de imágenes. El SPMM presenta un diseño de apertura conjunta que tiene un rendimiento de imagen superior debido a un NA más grande que un diseño de microarreglo de metal informado con el mismo tamaño de fabricación y distancia focal. Se realizan demostraciones experimentales de SPMM con iluminación coherente e incoherente para demostrar su aplicabilidad general.

La luz emitida por los objetos fotografiados contiene información rica asociada con múltiples longitudes de onda y polarización elíptica, que generalmente se pierde o se ignora en los métodos tradicionales de generación de imágenes basados ​​en la intensidad. Para abordar este problema, SPMM crea doce focos o imágenes en diferentes posiciones, que corresponden a seis bandas de espectros y dos estados de polarización circular ortogonal. Además, los espectros y la polarización (lineal, elíptica o circular) relacionados con regiones de objetos específicos se pueden resolver y reconfigurar definiendo las posiciones de enfoque/imagen y las intensidades relativas correspondientes.

El diseño y el mecanismo físico de SPMM se basan en los principios de geometría de fase y estereolitografía. Para lograr metales dispersos transversalmente, las distribuciones de fase de múltiples lentes que poseen diferentes longitudes de onda de trabajo con focos correspondientes en diferentes posiciones pueden codificarse en un único elemento de metasuperficie mediante el principio de holografía. El diseño de metal dependiente de la polarización se puede obtener sumando los dos resultados del producto de Hadamard. La posición focal de este mineral se puede cambiar cambiando la polarización del haz de luz incidente. Por lo tanto, se puede obtener un SPMM con doce focos combinando dos minerales dispersos al azar como un solo elemento de metasuperficie, como se muestra en la Figura 1.

En comparación con los elementos de detección de polarización o espectro especial existentes basados ​​en una matriz de micrometales, al demostrar imágenes SPMM con fuentes de luz coherentes normales (Fig. 2) e incoherentes (Fig. 3), este trabajo demostró sus posibilidades prácticas para construir múltiples reproductores de imágenes. Los polarizadores son extremadamente compactos sin necesidad de un diseño de caminos múltiples que utilice filtros espectrales complejos o partes mecánicamente móviles. Además, este concepto de SPMM se puede ampliar para reconstruir puntos arbitrarios con latitud y longitud en el dominio de Poincaré y lograr una división más precisa de las bandas espectrales mediante técnicas mejoradas de diseño metalúrgico y nanofabricación.

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El Laboratorio de Optoelectrónica Micro-Nano de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, dirigido por el profesor Wei Xiong (apoyado por el Programa Nacional de Apoyo a Jóvenes Talentos), se centra principalmente en la impresión 3D/4D con microláser, la síntesis inducida por láser y el ensamblaje a nanoescala. Materiales funcionales, imagen y caracterización láser ultrarrápida, nanodispositivos microfotónicos de superficie, etc., confiando en el Laboratorio Nacional de Optoelectrónica de Wuhan, el equipo ha llevado a cabo una serie de trabajos pioneros en los campos interdisciplinarios de tecnología y equipos de nanofabricación láser ultrarrápida. El equipo ha realizado muchos proyectos, como el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo de China y proyectos públicos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China. En los últimos años, el grupo ha publicado más de 140 artículos en revistas internacionales famosas como Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials, Light: Science & Application, Nano Letters, etc., y se ha aplicado a más de 40 licenciatarios y públicos. Patentado y citado más de 1.000 veces. Wei Xiong ha presentado más de 20 informes en conferencias internacionales en este campo, como Photonics West、Señora、ICALEO, etc Ha ganado el premio al mejor artículo de ICALEO. Se desempeñó como presidente de la rama de procesamiento y fabricación de nanoláser ICALEO de la Asociación Estadounidense de Láser, copresidente de la rama de láser de la Conferencia Internacional POEM, vicepresidente de la Asociación de Láser de Wuhan de la provincia de Hubei, miembro del Comité de Fabricación Máxima de los chinos Sociedad de Ingenieros Mecánicos.

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Optoelectrónica (OES) es una revista internacional interdisciplinaria de acceso abierto, revisada por pares, publicada por el Instituto de Óptica y Electrónica de la Academia de Ciencias de China como la revista hermana de avances optoelectrónicos (OEA, IF = 9.682). OES se dedica a proporcionar una plataforma profesional para mejorar el intercambio académico y acelerar la innovación. OES publica artículos, reseñas y cartas sobre avances fundamentales en las ciencias básicas de la óptica y la optoelectrónica.

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Gao H, Fan XH, Wang YX, Liu YC, Wang XG et al. Metalens multifocos para identificación, polarización y reconstrucción de espectros. Optoelectrónica 2220026 (2023). hacer: 10.29026 / oes.2023.220026

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