天津大学首次制造出直接测量偏振态的超薄光学元件

用超表面制作的全息图可以为光谱、传感和通信提供快速、紧凑的偏振测量 据悉，来自天津大学的研究人员们首次使用被称为“超表面”的超薄二维结构层来制作能够测量光偏振的全息图。新的超表面全息图可用于创建非常快速和紧凑的偏振测量设备，用于光谱、传感和通信等应用。
       超表面是具有纳米级特征的光学元件，其整体厚度小于人类头发的五十分之一。它们可以用标准的微电子制造技术制造，从而实现大规模生产，并且可以很容易地集成到晶片级光学系统中。尽管有这些很有前途的特性，但它们还没有在许多实际应用中使用。 在光学学会的《光学学报》(Optica)上，来自中国天津大学合作研究小组的研究人员们报告称，他们利用超表面全息图，有效且快速地确定了近红外至可见光波段的偏振。这项新工作代表着向基于超表面的功能设备迈出了一步，以支持从电信到化学分析的一系列应用。 来
       自天津大学的研究小组组长张学迁说：“由超表面制成的全息图是一种高效、有效的方法，可以生成具有亚波长分辨率的高质量图像。我们的工作独特地将超表面全息图应用于偏振态测量，这可以使相机大小的设备在不移动部件的情况下一步测量偏振。”
直接测量偏振态 
        虽然阳光和大多数家用光源都能发出向各个方向振荡的非偏振光，但滤光片等光学元件可以产生偏振光，偏振光只能在一个平面上传播，通常是垂直或水平的。光谱分析仪等分析仪器可以测量光在与物质相互作用后的偏振变化，从而确定其物理性质。不同的光偏振也可以用来通过光纤发送多种信号，用于电信应用。
       传统的偏振测量方法往往需要多次测量、庞大的光学装置或精确调整高质量的光学元件来间接确定偏振状态。在这项新工作中，研究人员转而使用元表面，通过比较垂直偏振的光波的振幅和相位，直接确定偏振。超表面生成两个重叠的全息图像，一个是左旋圆偏振(LCP)，另一个是右旋圆偏振(RCP)。圆偏振光具有一个电场振荡平面，它在垂直于波的方向的平面上向左或向右旋转。
        张说：“用CCD相机可以简单快速地捕捉到重叠的图像。通过分析两幅全息图像的干涉，我们可以得到入射光束LCP和RCP分量之间的振幅对比和相位差，从而确定偏振状态。”这项新技术的关键是一种被称为Gerchberg-Saxton的算法，它被广泛应用于全息研究。研究人员对该算法进行了改进，使其能够用于识别重叠全息图像中入射光的LCP和RCP分量之间的相位差。
有效的偏振态测量 
       研究人员展示了他们的新的超表面全息方法，使用它来测量具有已知偏振的照明光束的偏振状态。实测偏振态与已知偏振态吻合较好，验证了该方法的有效性。在未来，超表面可以被整合到相机的光敏区，从而制成一个测量偏振的小型设备。研究人员使用的超表面是基于Pancharatnam-Berry相位(也称为几何相位)方法，该方法的特征是相对相位响应不显示任何色散。这使得元表面全息图可以在很宽的波长范围内工作。
    “我们的方法可以扩展到许多需要偏振测量的潜在应用，如偏振光谱、传感和通信，”张说。偏振编码全息术也可以用于安全信息传输，因为只有知道所需偏振状态的接收器才能从最终的全息图像中解码信息。目前他们已经证明了这一概念，研究人员将计划提高该方法的效率，并将其性能与用于测量偏振的传统商用仪器进行比较。

图：研究人员使用一个超表面生成两个重叠的全息图像，一个是左旋圆偏振(LCP)，另一个是右旋圆偏振(RCP)。通过对两幅图(右图)的干扰分析，得到入射光束LCP和RCL分量的幅值对比和相位差，可以直接识别出光的偏振状态。