High‐Efficiency Liquid‐Crystal Polarization Metalens for Chip‐Scale Atomic Magnetometers

磁强计 极化(电化学) 磁场 物理 光学 全息术 光电子学 材料科学 圆极化 制作 量子 灵敏度(控制系统) 量子点 量子传感器 波长 双折射 动态范围 消光比 原子光学 激发极化
作者
Zhibo Cui,Jianyu Pan,Xinyu Tao,Jinsheng Hu,Gaopu Hou,Zichen Zhang,Mao Ye,Xiangyang Zhou,Yan‐qing Lu,Zhen Chai,Ling‐ling Ma
出处
期刊:Laser & Photonics Reviews [Wiley]
卷期号:20 (9)
标识
DOI:10.1002/lpor.202502517
摘要

ABSTRACT Atomic magnetometers (AMs) are among the most sensitive magnetic field sensors, with uses in magnetic anomaly detection, geosciences, and fundamental physics research. Despite notable progress, developing highly integrated, miniaturized components with high resolution, sensitivity, and efficiency for chip‐scale AMs remains a significant challenge. Here, we present a novel integrated polarization detection scheme based on a bifocal liquid‐crystal polarization metalens (LCPM) for chip‐scale AMs. By leveraging geometric phase and holographic synthesis principles, the LCPM efficiently separates and focuses left‐ and right‐handed circularly polarized light at the rubidium D1 transition wavelength (795 nm), achieving a high focusing efficiency of up to 80% and extinction ratios of 104 and 134 for the two channels. We demonstrate a prototype AM operating in the spin‐exchange relaxation‐free regime, achieving a high magnetic‐field sensitivity of 17 fT/Hz 1/2 and a dynamic range of ±4.8 nT. The proposed LCPM‐based scheme reduces the optical‐path volume by 94% compared to traditional polarization detection systems. Importantly, our method is compatible with large‐scale, cost‐effective production through established liquid‐crystal manufacturing lines, paving the way for high‐throughput fabrication of chip‐scale AMs. This innovation enables compact, affordable polarization detection with enhanced sensitivity of atomic sensors, opening new opportunities for high‐resolution biomagnetic imaging and quantum precision measurements.
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