基于超透镜的光学微传感器 ：工程光学的一项革新

       在《Sensors》杂志发表的一项研究中，研究人员通过实验、数值和理论研究了一种基于非晶硅薄膜的大孔径超透镜的光学微传感器。

研究: 基于超透镜的光学偏振传感器

超透镜是如何革新光学的？

       制造用于控制光偏振状态的高性能紧凑光学传感器是一项具有挑战性的任务。传统的光偏振控制方法，如偏振调制器、波片和线偏振器，使用方案笨重，且需要多个状态探测器。

       现在也有高效紧凑的光学偏振传感器，如偏振成像设备、等离子体光学偏振仪，和以回旋光子晶体为基础的手性分束器。但是，基于超表面的偏振传感器效率更高、体积更紧凑，且成本更低。

       超透镜是一种平面透镜技术，它基于超表面进行光线聚焦。超透镜技术的出现使得出现了新的轻量级镜头设计，它的表面没有曲率而是一个平面，这使得超透镜可以避免传统的光学畸变。

超透镜的优势

        在先进光学领域，人们对超表面技术的研究兴趣日益增加。因此，人们对超表面的概念框架、设计、制造和应用进行了广泛的研究。

       超表面天线阵列可以同时控制多种光学特性，如相位、振幅和电磁波的极化。除了出色的控制能力，超透镜还具有平面、超薄、轻、紧凑的优势。

       超表面已经被应用于各种先进技术，包括光场成像、内窥镜、VR/AR以及量子纠缠光学芯片。这些都表明它在未来的应用中也有巨大的潜力，比如微型无人机的机器视觉，农业、医疗保健和量子信息技术中的人工智能机器人。

当前超透镜技术的局限性

       大多数超透镜的工作原理是物理隔离极化态。然而，这些偏振传感器有各种各样的局限性，例如没有聚焦超透镜，纳米柱的高纵横比，以及注册光信号要求光传感器在空间中分离。

基于硅薄膜的超透镜偏振微传感器的研究

       研究人员研究了一种非晶硅薄膜中激光偏振态的超透镜。

       在120m厚的薄数值孔径非晶硅上制备了一种直径极小(微米级)的低长径比、大数值孔径和短焦距超透镜。为了加快计算速度，这些超透镜被特意设计成微型的。

       光传感器分布在超透镜焦点周围，它们聚焦于633nm的光子。超透镜由110nm 宽的二元亚波长衍射光栅组成，呈扇形，具有特征沟槽和脊状结构。半径为4米的圆孔产生入射光场。

       模拟基于Fullwave软件中的差分时域方法进行，该软件使用麦克斯韦方程组的差分解进行计算。

       在焦平面上放置一个或两个强度光电二极管使光束偏振检测成为可能。例如，通过监测焦点的中心强度，可以确定偏振态。

研究的重要发现

       目前基于超表面的超透镜偏振传感器缺少聚焦透镜和区分不同角度和偏振态的偏转光，这使得它需要一个光传感器矩阵和更大的传感器尺寸，它们以不同的角度使不同形式的偏振光偏转到光轴上。

       本研究中的偏振传感器通过在超透镜焦点处实现几种偏振状态: 左圆极化、右圆极化和线性极化分别在焦点处产生一个光环、一个圆形焦点和一个有两个旁瓣的椭圆形焦点。

       在实验中，焦距、环直径和旁瓣间距的数值都比模拟结果大20% 。超透镜位于高斯光学涡旋的发散区，这解释了为什么实验中的聚焦光斑比模拟中的要大。

       本文研究的偏振传感器小于10微米，光聚焦在一个波长的距离内。这个传感器沿着光轴在焦点处产生衍射图案，而不是使光线偏转不同的角度以产生不同的偏振光。这使得光传感器矩阵被一个或两个具有数百纳米感应区域的光传感器所取代。

       报告中的超透镜传感器能够精确控制偏振态，它在生命科学、显微镜和医学等领域具有潜在的应用前景。