上海技物所提出光电偏振本征矢量新概念

近日，中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术重点实验室陈效双、周靖团队等提出了一种基于光电偏振本征矢量的片上全斯托克斯偏振计，解决了高精度偏振探测系统小型化和集成化的难题，提供了一种探索偏振光电响应的全新范式和理论框架，为开发具备多种功能的多维光电探测器提供了重要参考。研究成果以“An on-chip full-Stokes polarimeter based on optoelectronic polarization eigenvectors”为题，发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）期刊上。

目前，基于分立光学元件的偏振计已经比较成熟。然而，分立光学元件的使用导致这些偏振计体积庞大、系统复杂，从而限制了其小型化和集成化的发展。虽然传统的波片、偏振片和滤光片等光学元件可以被轻薄的超表面取代，但是超表面与探测器之间需要保持适当的传播距离，增加了小型化和集成化的难度。超表面偏振像元与探测器感光像元之间的高精度对准贴合难以实现。此外，超表面及粘合剂会造成一定的光通量损失，影响探测灵敏度。偏振光耦合结构与红外探测材料原位集成的片上偏振计正受到越来越多的关注。然而，缺乏对于入射光斯托克斯矢量与器件光电响应之间的基本物理关系的认识，阻碍了这一技术路线的发展。

研究团队通过等离激元偏振光耦合超表面与红外探测材料原位集成，制备了片上全斯托克斯偏振计，提出了光电偏振本征矢量的新概念，阐明了入射光斯托克斯矢量与探测器光电流的内禀关联，发展了偏振光电转换在斯托克斯参量空间的位相调控方法，构建了高精度片上偏振重建的理论框架，实现了片上全斯托克斯偏振重建的最高覆盖率和最小误差（r.m.s.e < 1%）。此技术路线和理论框架可以进一步拓展到多种探测材料和探测波段，对于红外波段集成式的多维光电探测具有重要意义。

红外科学与技术重点实验室陈效双研究员、周靖研究员和新加坡国立大学仇成伟教授为论文的共同通讯作者，邓杰博士后为论文的共同第一作者。

该研究得到了中国科学院B类先导专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委等多个项目的支持。

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a-超表面集成亚像元对应光电偏振本征矢量的几何表示；b-片上全斯托克斯偏振计的器件结构示意图；c-亚像元Z形金属超表面和二硫化钼原子结构示意图；d-光电偏振本征矢量组成的光电转换矩阵；e-在整个Poincaré球上随机选取的输入和重建偏振态；f-本研究器件的重建偏振态覆盖率和重建精度等性能与其他团队研究结果的比较。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01287-w