Generalized Hartmann-Shack array of dielectric metalens sub-arrays for polarimetric beam profiling
原创作者：胡铁 纳米光子实验室 华中科技大学 目前研究方向：可见光宽谱介质偏振计
——||背景介绍||——
光的偏振态、相位、幅值信息对于系统的检测和定量分析极其重要。然而，传统的偏振计体积大、操作复杂、功能单一、集成度低。2018年，华中科技大学的杨振宇等人首次把超透镜阵列引入光的偏振态和波前探测系统中，设计并且证明了一种基于超透镜阵列的广义哈特曼——夏克偏振光束探测器，该系统能够实时检测光的偏振态和相位信息。该研究成果国防军事、生物医学等领域有重要的应用前景。
——||创新点||——
首次把超透镜阵列概念引入到光的波前和偏振态探测系统中，设计证明了基于超透镜阵列的广义哈特曼—夏克阵列偏振光束分析仪。硅基超透镜阵列，在1550nm波长下，平均聚焦效率为28％。同时，该系统具有超紧凑，光束实时诊断的优点。 通过进一步分析Hartmann-Shack波前传感器原理中的焦点位移，我们可以同时检测相位梯度曲线。 作为应用示例，我们诊断出径向偏振光束，角向偏振光束和涡旋光束的轮廓。
——||基本原理||——
① 基于Hartmann-Shack波前传感器原理，设计出针对水平、垂直、对角、左旋圆和右旋圆偏振态敏感的超透镜，由它们组成探测系统的有个像素；
② 分别利用P-B相位和传播相位设计圆偏振态聚焦镜和线偏振聚焦镜；
③ 通过检测相位梯度曲线，能探测光束波前；
——||图文一览||——
图一：广义哈特曼—夏克偏振光束分析仪的系统结
该系统主要由两部分构成：超透镜阵列和相机。为了能够兼具偏振态探测和波前探测功能，左边阵列的一个像素由6个针对不同偏振态敏感的亚超透镜阵列构成。相机用来记录超透镜阵列聚焦平面的光斑光强分布。右图中的虚交叉线表示单个聚焦镜的中心位置。
图二： 超透镜阵列的设计与加工图
(a) 超透镜的基本组成单元。周期为1500nm，高度为340nm。材料为硅，衬底材料为
.晶格周期为1500nm，高度为340nm。
(b-c) 在x线偏振光正入射条件下，由FDTD数值计算得到的单元结构的透过率图和相移图。图中白色圆圈代表用于构成圆偏振聚焦镜的单元结构（Dx =1350nm, Dy=480nm）。
(d) 加工的超透镜阵列的光学显微图。比例尺: 50μm。
(e) 图(d)中白色虚线框内的一个像素的放大SEM图。比例尺: 5μm。
(f-g) 对应于图(e)中白色虚线框结构的斜视图和进一步放大图。
小结：该系统设计波长为1550nm,设计焦距f=30μm。对于所有线偏振态的入射光，理论聚焦效率为62%，实验得到的聚焦效率为30%。对于圆偏振光入射时，得到理论（实验）聚焦效率为60% (26%)。
图三：超透镜阵列的单个像素聚焦平面数值计算的光强分布
(a-f) 分别为“x”, “y”, “a”, “b”, “l”, and “r”偏振态入射时，聚焦平面的光强分布图。
小结：通过数值计算可以在理论上得出，设计的超透镜阵列有很好的聚焦特性和偏振敏感性。
图四：偏振探测的光学装置图
光束的能量受一个由2个线偏振片和一个λ/2波片组成的衰减器的控制，在衰减器之后用1个线偏振片和1个λ/2波片调控产生各种线偏振态光。当探测径向，角向矢量光束时，在矢量波片后放置一个由2个不同焦距组成的光束压缩器。
图五：超透镜阵列的单个像素偏振计的实验验证
(a-f) 用于入射水平或垂直线性偏振（“x”和“y”），对角线性偏振（“a”和“b”）和圆偏振（“1”和“r”）的所得焦点的测量图像。 比例尺：10μm。
(g) 理论（小圆圈）与实验重建（星标）的斯托克斯量s1, s2,和 s3在庞加莱球上的比较。相应的颜色为（红，蓝，黑）
小结： 实验测量的平均偏振度相对误差为：4.83%。实验结果与数值结算结果吻合，初步验证了基于超透镜阵列的Hartmann-Shack偏振光束分析仪的思想正确性。
图六：矢量光束的偏振探测验证
(a) 未放置超透镜阵列时，实验测量得到的径向矢量光束的光强分布图。
(b) 未放置超透镜阵列时，实验测量得到的角向矢量光束的光强分布图。
(c-d) 放置超透镜阵列后，实验测量得到的超透镜聚焦平面光强分布图。
(e-f) 数据处理后，恢复得到的光束偏振态轮廓图。黑箭头表示实验测量的局域光束偏振态图，红色箭头表示经过校正得到的局域光束偏振态图。
小结：以上偏振态探测的实验结果表明，该研究设计的系统能够完美实现偏振态的探测。
图七：涡旋光束的波前探测验证
(a) 未放置超透镜阵列时，实验测量得到的涡旋光束的光强分布图。比例尺: 50 μm.
(b) 放置超透镜阵列后，实验测量得到的超透镜聚焦平面光强分布图。
(c) 相位恢复重建得到的波前轮廓图。黑箭头表示实验测量的局域光束相位梯度，粉红色箭头表示计算得到的局域光束相位梯度图。伪彩色表示光束的波前轮廓图。
小结：以上偏振态探测的实验结果表明，该研究设计的系统能够完美实现偏振态的探测。
图八：超透镜阵列的波前探测验证
(a-c) 0°, 5°和10°入射时，单个像素超透镜阵列的聚焦平面光强分布图
(d) 相位梯度随入射角度的关系图。
小结：实验结果表明入射角度小于5°时，理论与实验结果完美吻合，随着角度增加时，误差增大。
图九：超透镜阵列的波前与偏振态实时探测验证
(a) 放置超透镜阵列后，实验测量得到的超透镜聚焦平面光强分布图。
(b) 数据处理后，恢复得到的光束偏振态轮廓图。黑箭头表示实验测量的局域光束偏振态图，红色箭头表示经过校正得到的局域光束偏振态图。
(c) 相位恢复重建得到的波前轮廓图。黑箭头表示实验测量的局域光束相位梯度，粉红色箭头表示计算得到的局域光束相位梯度图。伪彩色表示光束的波前轮廓图。
(d) 实验光路图
小结：实验结果表明，该论文设计的系统结构紧凑，能够同时在线检测光束的偏振态和波前。
——||结论||——
论文中都是基于完全偏振态的实验探测，很明显，该系统同样能够应用于部分相干光的偏振和波前探测。通过优化单元结构的拓扑结构，能够进一步提升效率。
文献链接：Yang Z, Wang Z, Wang Y, et al. Generalized Hartmann-Shack array of dielectric metalens sub-arrays for polarimetric beam profiling[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 4607.
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07056-6
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-018-07056-6
Publication Date (Web): 02 November 2018
