We demonstrate universal polarization transformers based on an engineered diffractive volume, which can synthesize a large set of arbitrarily-selected, complex-valued polarization scattering matrices between the polarization states at different positions within its input and output field-of-views (FOVs). This framework comprises 2D arrays of linear polarizers with diverse angles, which are positioned between isotropic diffractive layers, each containing tens of thousands of diffractive features with optimizable transmission coefficients. We demonstrate that, after its deep learning-based training, this diffractive polarization transformer could successfully implement N_i x N_o = 10,000 different spatially-encoded polarization scattering matrices with negligible error within a single diffractive volume, where N_i and N_o represent the number of pixels in the input and output FOVs, respectively. We experimentally validated this universal polarization transformation framework in the terahertz part of the spectrum by fabricating wire-grid polarizers and integrating them with 3D-printed diffractive layers to form a physical polarization transformer operating at 0.75 mm wavelength. Through this set-up, we demonstrated an all-optical polarization permutation operation of spatially-varying polarization fields, and simultaneously implemented distinct spatially-encoded polarization scattering matrices between the input and output FOVs of a compact diffractive processor that axially spans 200 wavelengths. This framework opens up new avenues for developing novel optical devices for universal polarization control, and may find various applications in, e.g., remote sensing, medical imaging, security, material inspection and machine vision.


翻译:我们展示了基于工程化衍射体积的通用极化变换器,可以在输入和输出视场之间合成一组任意选择的、复值的极化散射矩阵。该框架包括各种角度的2D线性偏振器阵列,这些偏振器被定位在各向同性的衍射层之间,每层都含有数以万计的可优化透射系数的衍射特征。我们证明了,经过深度学习的训练,这种衍射极化变换器可以成功实现一个衍射体积内的Nᵢ x Nₒ = 10,000个不同的空间编码极化散射矩阵,其中Nᵢ和Nₒ分别表示输入和输出视场中的像素数,误差可以忽略不计。我们通过在太赫兹波段制作金属丝极化器并将其与3D打印的衍射层集成的方式,在实验中验证了这种通用极化转换框架。通过该装置,我们演示了具有空间变化的极化场的全光极化置换操作,并在具有200波长轴向范围的紧凑衍射处理器的输入和输出视场之间同时实现了不同的空间编码的极化散射矩阵。该框架为开发新型光学器件以进行通用极化控制开辟了新的途径,并可在遥感、医学成像、安全、物质检测和机器视觉等领域中找到各种应用。

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