[发明专利]一种基于介质超表面的全stokes偏振测量仪

说明书

本发明公开了一种基于介质超表面的全stokes偏振测量仪，属于光学器件技术领域。包括一层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平面处。本发明提供的基于介质超表面的全stokes偏振测量仪，其所依附的设计框架可任意选择感兴趣的目标偏振态和它们各自的聚焦点，可以容易地实现传统设计思路无法实现的正四面体分布的目标偏振态探测。相较于现有的对正多面体分布的六种偏振态探测的设计有着更小的体积，相较于现有的对非正多面体分布的四种偏振态探测的设计有着更小的噪声干扰。

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，更具体地，涉及一种基于介质超表面的全stokes偏振测量仪。

背景技术

偏振探测是一项用于探测光波偏振信息的技术，已经在通信、生物医学成像、遥感、图像雾化去除等领域有着非常广泛的应用。通过对目标出射光不同偏振分量有限次(至少4次)的测量，能够重建出目标的斯托克斯参量。传统的探测方式主要通过分时、分振幅、分孔径或分焦平面的方式实现对目标多个偏振信息的采集。其中，分时偏振探测作为一类，通过相位延迟器和线偏振片的不同组合，并记录相应的输出光强，利用这些光强可以重建出入射光的斯托克斯矢量。这种方式虽然结构简单，但是由于需要多次测量，无法获取光波偏振的瞬时值，时间分辨率低下。分振幅、分孔径、分焦平面可以归为另一类，它们通过不同方式将入射光束进行分束，再对光束同时记录不同偏振分量的光强信息，从而单次测量即可完成偏振信息重建。但是采用这种方式的测量系统往往结构庞大复杂，成本高昂，不利于器件的小型化。

超表面是一种人工设计的亚波长厚度的单层结构，能够对光的振幅，相位和偏振属性进行灵活调控。其中，介质型超表面相比于其它超表面有着更低的损耗，是实现偏振探测的一种十分有潜力的媒介。2018，Yang等人利用形状双折射介质超表面的偏振敏感特性，设计了一种超透镜阵列，每种超透镜只对一种偏振光有聚焦作用，因此焦面上不同位置上的聚焦光斑就反应了入射光的不同偏振分量的强度，从而可以重建出入射光的全stokes矢量。然而其设计对超透镜的目标聚焦偏振态的选择仅限于线偏振和圆偏振，而为了最大程度降低实际偏振探测过程中噪声的影响，需要在庞加莱球上构成正多面体，为此该设计采用了对6种偏振态聚焦的方式，而全stokes重建最少只需对4种偏振态聚焦，因此该设计不利于器件的进一步小型化；对入射光的利用效率较低，每种超透镜仅利用了入射光中所要聚焦的偏振态的这部分光强，而与之正交的偏振态的能量则被舍弃。同年，Arbabi等人借助了形状双折射介质超表面对一组正交偏振态的相位独立调控能力，实现对一组正交偏振态的分别聚焦，再通过空间复用的方式实现对多组正交偏振态的分别聚焦，从而可以实现入射光的全stokes矢量重建。该设计对目标聚焦偏振态的选择同样受限，因为所选择的聚焦对象必须为成对的正交偏振态，所以也采用了对6种偏振态聚焦的设计，不利于器件的小型化。2019年，Rubin等人提出一种名为“矩阵傅里叶光学”的设计框架，并基于此设计实现了一种超表面光栅，能够在不同衍射级上呈现与偏振片相近的偏振响应，并且对目标偏振态没有限制，从而实现了对多个偏振态的分束，结合成像系统可以实现全stokes偏振成像。然而使用该工作所提出的“矩阵傅里叶光学”无法完成能对光束进行聚焦的超表面设计，因而需要使用额外的透镜进行辅助聚焦，不利于器件的小型化；基于该光栅的偏振成像系统结构复杂，集成度较差。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于介质超表面的全stokes偏振测量仪，旨在实现在同一块超表面上集成对多个任意偏振态分束和聚焦的功能，提升器件的集成度。

为实现上述目的，本发明提出了一种超表面设计框架，并用以实现了一种基于介质超表面的全stokes偏振测量仪，包括一层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平面处；

其中，介质超表面由同一个基本模块周期性排列构成，每个基本模块横向尺寸为正方形。