Metasurface Polarimetry: Fabrication and Characterization of In-line Stokes Polarimeters Based on Polarization Sensitive Nanoantenna Arrays

Abstract

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.