[发明专利]一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪

说明书

本发明公开了一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪，包括介质超表面和探测器阵列，探测器阵列位于介质超表面的焦距处；介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触；每个基本模块独立工作以获取入射到该基本模块表面的待测光的偏振态；每个基本模块包括第一平面聚焦镜、第二平面聚焦镜、第三平面聚焦镜和第四平面聚焦镜，四块平面聚焦镜按照从左至右、从上自下的顺序构成“田”字形平面结构；这四个平面聚焦镜的焦距一致。本发明提供的紧凑光学测量仪可以探测入射光的偏振态和波前，在可见光波段损耗较小，在近红外到红外波段几乎没有损耗，极大降低了光损耗，提高了探测的灵敏度。

本申请要求于2017年3月27日提交中国国家知识产权局专利局、申请号为201710187581.8、发明名称为“一种基于介质超表面的紧凑偏振态测量仪”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明属于光学器件技术领域，更具体地，涉及一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪。

背景技术

光学偏振测量仪、光学波前测量仪在光通信、偏振成像、自适应光学、天文学、生物医学、材料科学等领域得到了令人瞩目的应用。目前在光学领域，主要有两类偏振态测量方法：一类是利用四分之一波片和线偏振片不同旋向的组合对入射光进行多次测量，利用测得的数据计算出入射光的斯托克斯参量，这种方法的缺点是要进行多次测量，无法对瞬间的偏振态进行判断；另一类是将待测光分成几路，每一路的待测光用已固定好旋向的四分之一波片以及线偏振片进行探测，这种方法实现了瞬态的数据采集，但是系统庞大、复杂并且成本高。目前，光学波前探测也主要分为两类：一类是直接式波前探测，即对待测波前分布的直接探测，例如剪切干涉仪、曲率传感器、哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)传感器等。另一类是间接式波前探测，即对待测波前在后续光路的某个或某些特征面(焦面上或附近)的光强分布，逆向求解待测波前分布，例如相位恢复(Phase retrieval)法、相位差法等。这些波前探测方法的主要缺点是系统复杂、成本高且集成化水平低。

近年来，一种二维的超表面材料被用在调控光的强度、相位以及偏振态，其为新型光学信息测量提供了新的思路。2015年，Anders Pors等人利用一种具有双折射性质的间隙表面等离子体的超表面结构引入对不同偏振态分量的入射光的相位梯度调制，成功将入射光中的偏振态分量分离到不同的出射方向，通过实时探测各个方向衍射光的强度，计算出瞬态的斯托克斯参量，从而唯一确定入射光的偏振态，(Anders Pors等.“Plasmonicmetagratings for simultaneous determination of Stokes parameters,”Optica 2,716-723(2015))；其所采用的器件材料为金和二氧化硅，是在一层较厚的金层上覆盖一层纳米尺度厚的二氧化硅、再在其上沉积一层在空间尺度上不断变化的纳米金块阵列所形成的结构；由于在使用透射光来进行探测时，纳米金块阵列对于入射光有较大的损耗，在保留纳米金属块对入射光相位调制能力的同时，利用一种间隙表面等离子体的结构增大对于入射光的反射率，减小对入射光的损耗，并利用反射光进行探测；然而，由于使用了金属元素，不可避免存在较大的光损耗；另外，由于是利用反射光进行探测，难以实现近场的探测，系统需要使用多个光学透镜将衍射到不同方向的光聚焦到探测器表面，增加了系统的复杂度，限制了器件的集成度。此外，该系统只能对光的偏振态进行测量，对波前无法进行探测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪，其目的在于提高光学测量器件的探测灵敏度，提高器件集成度，实现光学偏振态与波前的多功能探测。

为实现上述目的，本发明提供一种基于介质超表面的紧凑光学测量仪，包括介质超表面和探测器阵列，探测器阵列位于介质超表面的焦距处；

其中，介质超表面包括多个基本模块，相邻的基本模块相互接触，多个基本模块共同构成具有厚度的平面结构；每个基本模块独立工作以获取入射到该基本模块表面的待测光的偏振态和波前；