Физики собрали из метаповерхностей компактную поляризационную камеру

Ученые разработали портативную камеру без подвижных частей, которая измеряет сразу все четыре параметра Стокса, то есть способна получать всю информацию о поляризации принимаемого излучения. В качестве основного оптического элемента используется металинза, то есть плоская микроструктурированная поверхность, способная нужным образом искажать волновой фронт света. Достоинствами прибора является его небольшие габариты (по сравнению с другими поляризационными камерами) и отсутствие движущихся частей, что значительно увеличивает надежность, пишут авторы в журнале Science.

Поляризация — это одна из основных характеристик любых поперечных волн, в том числе электромагнитных. Эта величина характеризует ориентацию плоскости колебания волны (в случае света это колебания вектора напряженности электрического поля) относительно оси распространения. Человеческий глаз неспособен воспринимать поляризацию, но некоторые животные способны на это, что позволяет им получать дополнительную информацию об окружающей среде.

Излучение может быть не поляризовано — таким, в частности, является естественный свет звезд, в том числе Солнца, бывает линейно поляризованный свет, свет с круговой поляризацией и в общем случае с эллиптической поляризацией. Степень поляризации может принимать значения от 0 (неполяризованное излучения) до 1 (полностью поляризованное). Свет и его поляризацию можно описать при помощи степени поляризации и ориентации ее эллипса или альтернативным способом посредством четырех параметров Стокса.

Простейшие приборы, работающие с поляризацией, — это поляризационные фильтры, пропускающие свет лишь определенной поляризации, например, только линейной и только с конкретной ориентацией. В частности, если надеть поляризационные очки, то можно увидеть изменения в отраженных от некоторых поверхностях изображениях, а у некоторых материалов проступит скрытая текстура: так можно увидеть специально созданные вариации механического напряжения автомобильных стекол, которые сделаны для контролируемого растрескивания.

Тем не менее, получение исчерпывающей информации о поляризации света затруднительно, так как необходимо провести четыре самостоятельных измерения. Простейшая схема предполагает использование трех поляризационных фильтров и четвертьволновой пластинки. Первые два фильтра пропускают линейную поляризацию и ориентированы под углом в 90 градусов друг к другу. Их комбинация позволяет различить любые направления линейной поляризации, кроме двух диагональных. Для них ставится третий фильтр под другим углом. Круговая поляризация может быть преобразована в линейную при помощи четвертьволновой пластинки и так же проанализирована.

Эта схема требует либо сменных фильтров, либо вращающегося барабана с фильтрами, чтобы через них снимать с небольшой задержкой несколько кадров. В любом случае получается сложная, объемная и нагруженная механическими деталями камера, которая не подходит для многих применений, где важны маленькие габариты и вес, например, для аэрофотосъемки с дронов.

Ученые из Гарварда под руководством Федерико Капассо (Federico Capasso) разработали новую оптику, которая позволяет измерять сразу все компоненты поляризации без механических частей. Основным элементом нового прибора является металинза, то есть поверхность, покрытая структурами сравнимого с длиной волны размера, которые определенным образом преобразуют свет. Капассо является одним из пионеров прикладных разработок в этой области, о чем можно послушать в его собственной короткой лекции.

Авторы работы предложили как общий теоретический подход для работы с поляризацией, так и применили его на практике. Их прибор разлагает входной поток на четыре пучка, каждый из которых получен как будто бы прохождением через соответствующий поляризационный фильтр. Таким образом, можно получить одновременно информацию сразу обо всех четырех параметрах Стокса в каждом пикселе изображения и каждом кадре, причем даже в режиме видео. Исследователи отмечают, что возможна реализация произвольных поляризационных фильтров.

Весь инструмент состоит из разлагающей свет по поляризациям металинзы, обычной линзы для построения изображения и обычной современной КМОП-матрицы в качестве детектора. Металинза выглядит как плоский диск диаметром около сантиметра, а вся схема вместе с корпусом выглядит как небольшая коробочка. В инструменте теряется менее половины интенсивности света, что физики называют более чем приемлемым для большинства применений.

Авторы уже протестировали разработку как в условиях уличного освещения, так и в помещении, и остались довольны результатом. Они отмечают, что такая камера может найти применение в области исследований атмосферы, дистанционного зондирования, распознавания лиц, машинного зрения и многих других.

Ранее ученые смогли разделить фотоны на «левых» и «правых» при помощи металинзы, добились при их участии контроля над направлением излучения и сфокусировали свет во всем видимом диапазоне. В то же время металинзы по некоторым параметрам лишь сейчас начинают догонять традиционную оптику.

Тимур Кешелава