The polarization of electromagnetic waves (the direction of transversal vibration of
its electric field vector) provides essential information about the emitting sources and
scattering objects. Its measurement, i.e., optical polarimetry, has a history of more than
200 years and has found various applications in virtually every branch of science and
technology.
Fabrication of optical metasurfaces that allow the manipulation of electromagnetic
waves with sub-wavelength scale structures has become possible thanks to the rapid
development of nanotechnology in the last 50 years. Metasurfaces have the potential of
simplifying and miniaturizing existing optical components, including polarimeters.
This thesis explores the details of a promising metasurface design for the polarimetric
measurement of light. This in-line (signal-saving) metasurface polarimeter is
based on subwavelength-spaced phased arrays of gold nanorod antennas that provide
an intensity modulation of scattered light depending on the polarization of the incident
light to measure the full Stokes vector. An analytical model of the radiation pattern
of the metasurface is presented and compared with numerical simulations. Polarimeters
operating at telecom wavelengths have been fabricated in compact fiber-coupled
packages, comprising an ultra-thin metasurface aligned to four or six photodetectors
and characterized with high sampling rates. Non-terminating measurements of the
polarization state of light by sampling only a small part of the total light intensity have
been performed in in-plane and out-of-plane configurations. The error of the polarimeter
has been analyzed and analytical and numerical models for the systematic error are
presented.
The capacity of the miniatuarization of the metasurface polarimeter has been demonstrated
by transferring the metasurface to the facet of a single-mode near-infrared optical
fiber. To realize such a fiber-based metasurface polarimeter, a novel template stripping
transfer lithography method has been developed. The gold nanopattern is stripped
from a silicon wafer and transferred to the fiber facet by means of a UV-curable hybrid
polymer. In-line polarimetric measurement has been demonstrated by measuring the
intensity of four out-of-plane scattering orders while coupling the non-scattered light
back into an optical fiber.
Skautunarástand rafsegulbylgju veitir upplýsingar um uppsprettu hennar og eðliseiginleika
þeirra hluta sem rafsegulbylgjan hefur víxlverkað við. Rafsegulbylgjur á ákveðnu
tíðnibili köllum við ljós. Mælingar á skautunarástandi ljóss eiga sér yfir 200 ára sögu og
hafa þær haft veruleg áhrif á flestum sviðum vísinda og tækni. Hin hraða þróun sem átt
hefur sér stað á sviði nanótækni á síðustu árum hefur gert okkur kleift að móta yfirborð
sem hafa áhrif á rafsegulbylgjur allt niður á sýnilega bylgjulengdasviðið og nýta til þess
mynstur þar sem minnstu einingar eru minni en ein bylgjulengd. Slík yfirborð geta m.a.
nýst til að einfalda og smækka íhluti sem notaðir eru í ljóstækni í dag, svo sem linsur og
hvers kyns ljóssíur en einnig ljósskautunarmæla.
Í þessari ritgerð er rannsökuð hönnun yfirborðs til greiningar á skautunarástandi
rafsegulbylgju fyrir nær-innrauðar bylgjulengdir. Yfirborðið er samsett úr fylki örloftneta
úr gulli sem hvert um sig er um fjórðungur úr bylgjulengd að stærð. Saman
dreifa loftnetin litlum hluta ljóssins sem lendir á yfirborðinu í ákveðnar stefnur, eftir því
hvert upprunalegt skautunarástand ljóssins er. Með því að mæla ljósdreifinguna má fá
mælingu á Stokes-vigur ljósbylgjunnar sem lýsir skautunarástandi hennar fyllilega.
Skautunarmælar ætlaðir sérstaklega fyrir þær bylgjulengdir ljóss sem nýttar eru í
ljósleiðarasamskiptatækni voru hannaðir og smíðaðir með það fyrir augum að tengja þá
beint við hefðbundna ljósleiðara. Skautunarmælarnir samanstanda af örþunnu yfirborði
með fylki loftneta og fjórum eða sex ljósnemum sem geta mælt skautunarástandið á hárri
mælitíðni, án verulegrar truflunar á upprunalega merkinu. Fræðilegt líkan af útgeislun
yfirborðsins var smíðað og niðurstöður þess voru bornar saman við tölvuhermanir.
Bornir voru saman skautunarmælar sem nýta ólíkar dreifingarstefnur ljóssins, bæði
með reikningum og tilraunum. Mælinákvæmnin í skautunargreiningunni var metin
og fræðileg líkön þróuð til að lýsa kerfisbundnum mæliskekkjum. Sýnt var fram á
möguleika á smækkun ljósskautunargreinisins með því að flytja mynstur loftneta yfir á
endaflöt ljósleiðara. Þróuð var sérstök aðferð til mynsturyfirfærslu af kísilskífum yfir á
ljósleiðara með hjálp sérstakra lífrænna/ólífrænna blendingsfjölliða. Sýnt var fram á
að þannig megi framkvæma skautunarmælingar beint á ljósleiðaranum sjálfum án þess
að fórna mælinákvæmni og á sama tíma kúpla stærstum hluta ljósmerkisins aftur inn í
annan ljósleiðara.
