面向全偏振成像的亚手性结构梯度螺旋近完美圆偏振二色性研究

Integrated snapshot polarimetric imaging that combines a pixelated polarizing element and a CCD detector is a recently developed novel polarimetric imaging technology. Theoretically, 4 polarizing components are required in a full Stokes polarimetric imaging, 3 of which are linear polarizing components and the 4th is the circular polarizing component. Due to the lack of high efficient and also integratable circular polarizing device, presently the integrated polarimetric imaging is only limited to linear polarizing detection. In this project, we propose and investigate near-perfect circular polarization dichroism based on gradient spiral pattern of sub-chiral structure, in which fine manipulation of the polarization-dependent phase distribution can be implemented by combination of the “micro” sub-chiral structure and the “macro” spiral pattern of the sub-chirality. The major parts include: (1) Physical mechanism and optimal design technique of near-perfect circular polarization dichroism based on gradient spiral of sub-chiral structure, which includes dimensions and arrangements, material selection and interfacial matching of the sub-chiral structures, the macro spiral architectures of the sub-chiral structures and the interaction of the resulting multi-physical effects in the structure/pattern; (2) Setting up a deep UV photolithography apparatus and appropriate experimental processes to fabricate the mixed patterns of pixelated circular polarizing structure and the conventional linear polarizing grating structure compatibly, which forms a new way for efficient and flexible fabrication of mixed arbitrary 2D structure and linear grating structure on a single chip. The implementation of the proposed project will provide solid theoretical basis for metasurface circular polarization dichroism devices and key techniques/elements for integrated full Stokes polarimetric imaging.

像素式偏振器件与CCD探测器集成的快门式偏振成像是近年来发展的一种新型集成式偏振成像技术。理论上，全斯托克斯偏振成像需四个分量，其中三个是线偏振分量，第四个是圆偏振分量。由于高性能且易于集成的圆偏振器件的缺乏，现有集成式偏振成像仅限于线偏振分量探测。本项目提出基于局域亚手性梯度螺旋结构的近完美圆偏振二色性研究（二色性大于95%），采用“微观”亚手性结构和“宏观”螺旋排布精细调控偏振依赖的空间位相分布。重点研究：（1）亚手性螺旋结构实现高性能圆二色性的物理机理和优化设计方法，包括亚手性结构的尺寸与排布，材料选择、界面匹配以及以此“亚结构”构建“宏观”螺旋的方法和多重物理效应的协同作用；（2）建立与线偏器件兼容的圆二色性像素阵列结构深紫外光刻实验装置和工艺，形成同一芯片上任意二维和微纳线栅像素结构的混合高效光刻制造技术和方法,为圆偏振二色器件及真正的集成式全偏振成像提供关键技术和器件理论基础。

本项目从理论和实验上系统研究了面向全偏振成像的亚波长手性结构梯度螺旋圆偏振二色性以及亚波长纳米结构在光场调控中的应用。提出了一种基于亚波长三维螺旋面手性结构的圆偏振二向色性超透镜，可实现对左/右旋圆偏振光的偏振态选择以及聚焦成像选择。通过改变圆柱螺旋面结构单元的方位角，可以获得全相位延迟（0-2π）操控，并在3-5 μm的波段内具有70%以上的圆偏振二向色性；进一步提出了一种干涉增强的双螺旋面高效手性超透镜成像技术。研究发现当两个套嵌螺旋面的相对方位被扭转到一个优化角度时，交叉圆偏振的转化效率可得到显著提升（能量效率从4.5%变到45%提高了一个量级）。此外，通过操控扭转角度，结构的手性可以反转，打破了传统螺旋面结构的手性无法改变的限制。进一步提出了基于正交旋向螺旋面耦合的高效圆二色性超透镜，研究表明交叉圆偏振的能量转化效率可进一步提高到65%。为进一步提高效率和器件的可集成性，提出了超宽带、高消光比的二维全介质圆二色性超表面结构，首次实现了在1400-1600nm的200nm带宽内圆偏振消光比大于20dB。在超表面的成像方面，研究了基于亚波长超表面结构的全斯托克斯偏振成像及消色差成像研究，主要包括红外宽波段高性能亚波长结构线偏振器件研究，基于全介质空间复用超透镜的高效率、高光学分辨率和大带宽的单芯片全斯托克斯偏振-光谱成像技术，基于计算波前编码的偏振无关宽波段消色差超透镜，以及基于波前编码的宽波段消色差液晶透镜及成像技术。此外，还研究了基于亚波长超表面结构的光场调控技术，主要包括全介质超薄亚波长双层线栅角度滤波器，角度不敏感全介质超表面长通滤波器，以及柔性全金属超表面完美吸收器（柔性超表面黑镍）。上述研究成果为实现亚波长超表面结构对光传输过程中光场的振幅、位相、偏振态、传输方向及能量效率的灵活操控和实现宽波带、高效率的全斯托克斯偏振成像以及超轻薄的多模态平面透镜成像提供了坚实的理论和实验基础。