Midinfrared real-time polarization imaging with all-dielectric metasurfaces

MINGZE LIU, QINGBIN FAN, LE YU, AND TING XU*

Chao Yan, Xiong Li, Mingbo Pu, Xiaoliang Ma, Fei Zhang, Ping Gao, Kaipeng Liu, and Xiangang Luo

——||背景介绍||——

传统的成像设备只测量场景中光强以及波长等信息，而偏振成像在这基础上通过测量光场的偏振信息能够提供表面地形、材质、形状等一系列的物体本身参数。传统的偏振成像系统一般有分时法、分焦平面法、分振幅法等，这些都各有各的优缺点，其中的分焦平面法（DoFP）因为能够同时测量不同偏振态的图片，以及要求更少的光学组件应用价值更高。然而这种传统的分焦平面法还是有其不足之处：系统复杂、造价昂贵以及对设备的空间对准要求比较高，同时它的最大能量效率被限制到了50%。超表面是如今比较热门的研究领域，因此可以在这里面寻求一种能够高效同时对不同偏振态成像的方法。

——||创新点||——

本文提出了一种全硅介质超表面实现了在中红外波段的偏振成像功能。由于超表面由全硅介质组成，是单层结构，在工艺上不要求多层集成，极大的简化了工艺。提出的超表面结构能够将四种偏振光实时地聚焦到四个不同的位置。与传统的偏振成像方法相比，提出的超表面结构有利于建立集成和微型化偏振成像系统。

——||基本原理||——

与普通超透镜聚焦原理一致，需要满足相位公式：

只不过x和y不再是相对于中心点的坐标，而是相对于聚焦点中心的坐标。

线偏振结构通过单元结构的尺寸来设计传输相位；

圆偏振结构通过将传输相位以及几何相位结合的方式来设计。

——||图文一览||——

图一：偏振成像超表面的单元结构

(a) 设计的超表面的俯视图，高10μm，周期4.7μm；  

(b) 样片聚焦不同偏振态的光到不同的点的示意图；

小结：红色的结构用来控制线偏光聚焦（x-和y-），蓝色的结构用来控制圆偏光聚焦（lcp和rcp）。

图二：超表面单元结构的设计

(a-b) 波长为10.6μm时，横向尺寸（lx和ly）、传输相位、传输振幅之间的关系。a图针对圆偏光、b图针对线偏光；

(c) 电场分布的仿真；

小结：对于线偏光来说要求8x8组单元结构来构成一个8级的覆盖0-2π相位分布，对于圆偏振光由于长方形硅柱没有手性，只需要8组单元结构即可提供完成的相位控制，但是需要加上旋转角提供额外的几何相位。从图c中的电场可以看出能量主要集中在硅柱中间，表面相邻硅柱之间的耦合很小，这也是超透镜设计中要满足的一个很重要的点。

图三：超表面SEM图以及实验装置

(a) 超表面SEM图；

(b) 实验装置图；

小结：每个pixel的尺寸为25μm X 25μm，超表面样片的直径和焦距都为1cm，因此数值孔径接近0.45。在实验中物距调整为2cm，像距调整为与物距相等，因此在CCD上成等大的像。

图四：基于超表面偏振成像的实验结果

(a) 归一化的远场聚焦图以及以x偏振光入射样片成像的分辨率测试图形；

(b) 焦平面上不同偏振光入射时四个偏振通道的成像图；

小结：分辨率板中最小的线宽为35.08μm，可以很清晰的成像。

——||结论||——

作者成功地提出了一种基于全硅介质的中波红外的超表面偏振成像系统，并通过实验验证了全硅超表面可以同时对两个正交偏振图像成像。同时因为超表面结构是基于偏振分离和聚焦而不是偏振本身成像的，因此它克服了传统偏振成像系统的50%的理论效率限制。这项工作可能会对开发小型化的偏振成像器件提供帮助，同时还可以基于此项理论构建广义的哈特曼-夏克传感器来对波前进行轮廓分析。

文献链接：Appl. Phys. Lett. 114, 161904 (2019);

https://doi.org/10.1063/1.5091475

报告人：汪肇坤