Full-Stokes Imaging Polarimetry Using Dielectric Metasurfaces

Ehsan Arbabi, Seyedeh Mahsa Kamali, Amir Arbabi, and Andrei Faraon

-- ||导读|| --

    2018年7月16日加州理工学院的Ehsan Arbabi等人在ACS Photonics上发表了一篇介质超表面全斯托克斯参数偏振成像的文章，之前发表在ARXIV上，这次想通过研读该文章了解其他组的偏振成像方法。

-- ||背景介绍|| --

偏振是光本身携带的重要信息，其通常在强度和光谱含量中难以探测。偏振成像是在扩展场景上确定光的偏振状态的过程（部分偏振或者全偏振）。它已经在从遥感到生物学的各个领域中找到了多种应用。传统的偏振成像系统可以分为三类：分振幅，分孔径，分焦平面三种。其中分焦平面，如分焦平面偏振照相机（DoFP-PC）的划分更紧凑，更简单且更便宜另外，通过与相机像元集成可以轻松的获得不同偏振的图像。最近，液晶延迟器已与线性偏振滤光器集成，通过实现圆形和椭圆偏振滤光器实现全斯托克斯偏振成像。但DoFP-PC的设计还是存在由偏振滤波导致的50%的损耗。超表面由其独特的相位偏振调控能力可以应用于偏振成像中，提高效率和集成度。

-- ||创新与结论|| --

按照三组正交偏振态来设计超表面的结构，xyabrl，正交态由同一块超表面分束聚焦，提高了探测效率，并调整基本单元的周期大小来研究周期对像元之间串扰的影响，最后设计了分块超表面进行偏振成像，并与传统偏振探测器件进行了对比，得到了较好的效果。

-- ||图文一览|| --

图一 超表面偏振相机概念图。

（a） 传统偏振计和超表面偏振相机示意图。

（b） 超像素偏振分块图。

（c） 三维示意图

小结：与我们设计结构不一样，一组结构两个正交态都聚焦，所以效率高。文章提到他们是第一个做分焦平面偏振相机测试的组，之前都是通过偏振滤波来工作的。

图二 超表面基本单元设计

（a） 基本结构示意图（高650周期480，玻璃上硅柱）。

（b） 850nm波长的相位随结构参数的分布图。

（c） 圆偏振调制相位示意图。

（d） 设计的超表面相位分布（焦距9.6微米，等同超表面横向长度）。

（e） SEM。

小结：设计原理上利用正交特性实现分束聚焦。

图三 DoFP-PC超像素的表征结果

（a） 120个像素平均之后的结果。

（b） 对应的光强分布。

（c） 测试LED光束的偏振态实验结果

小结：现象基本一致，主要讨论了相邻像元之间的串扰问题，基本单元结构周期越小串扰越大，另外测试了其宽谱特性，只有5%的带宽。C是将光源直接打在偏振相机上成的像，计算出光源的偏振的为0.08，传统偏振计测量基本为0。文章还对聚焦效率只有60%到65%进行了讨论，主要由以下几个原因：超表面最大的偏折角度大于50°，限制了传输效率；480nm的周期不满足采样定律；超表面是周期性的，其超像素周期尺寸大于波长，这导致更高衍射级的激发，尤其是在具有更高折射率的衬底内部。但是总的来说还是比传统的50%要高，文中并没有提到加工造成的影响。

图四 偏振成像

（a） 目标偏振分布示意图。

（b） 理论偏振成像图样。

（c） 偏振计成像图样。

（d） 超表面偏振成像图样。

小结：现象基本上复合理论，设计的超表面偏振计效果也比较好，主要是关注成像测试方面的细节。

超表面偏振相机图像质量较低的主要原因是显微镜单视场内的超像素数量有限，视场受显微镜放大倍数（×22）和图像传感器尺寸（~15mm）的限制，这导致超表面偏振相机图像的分辨率为70×46点，而常规偏振计图像的分辨率为~2000×2000点；另外也提到了超像素的坐标标定问题，估算这些坐标的误差是由于设置中的小倾斜，定制显微镜的像差造成的，降低了成像效果。

最后也提到了用重构矩阵来优化偏振数据和设计消色差特性来满足宽谱探测的功能。

-- ||点评|| --

  本文章里面对于误差的分析还是值得学习的，虽然没有提到具体成像实验中ccd与超表面像元对准的问题，文章中提出的问题也是我们所需要思考解决的问题。

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/acsphotonics.8b00362

报告人：冯兴  时间：2019.5.7