Direct polarization measurement using a multiplexed Pancharatnam–Berry metahologram

XUEQIAN ZHANG, SHUMIN YANG, WEISHENG YUE, QUAN XU, CHUNXIU TIAN, XIXIANG ZHANG, ERIC PLUM, SHUANG ZHANG, JIAGUANG HAN, AND WEILI ZHANG

-- ||导读|| --

2019年9月12日，天津大学韩家广教授团队及其合作单位在超表面全息研究方面取得了新进展，在国际上首次实现了基于全息超表面的宽带、快速、紧凑的偏振测量器件。研究成果在偏振相关的光谱测量、传感和通讯等领域具有应用前景。

-- ||背景介绍|| --

超表面是二维的超材料，由超薄的亚波长人工微结构在界面上通过一定的排列方式组合而成，具有高效的光波调控特性。特别地，超表面能够在亚波长尺度内局域化地操控光波相位、振幅和偏振，使其在复杂波前调控方面具有重要的应用前景，其中最具代表性的应用之一就是超表面全息。偏振是光波的一个基本物理参数，代表了光波的矢量特性，决定了光与许多物质的相互作用方式。精确的测量光波的偏振态在偏振光谱、椭偏仪、传感、成像、通讯和量子信息探测方面有着重要的应用价值。一个完全偏振态，可由其包含的任意两个正交偏振分量间的振幅比a和相位差Δφ唯一且直接的决定。

-- ||创新与结论|| --

该团队成员创新性地提出了一种改进的Gerchberg–Saxton相位全息设计算法，采用Pancharatnam–Berry相位的复合相位控制方法，巧妙地设计了一种圆偏振相关的全息超表面，可在圆偏振坐标基下，实现对入射光偏振的直接测量。最简单的方法之一就是让图像再通过一个线偏振片，然后对圆环上强度沿角向的变化分布进行傅里叶分析，即可获取相位差Δφ信息。除此之外，该相位差Δφ也可进一步配合角度盘，通过观察最大值或最小值的所在角度来直观和粗略地获取。而对于两个圆偏振分量间的振幅比a，可以通过测量圆环内部偏上和偏下的两个圆盘的强度值来简单获取。由此，便可根据测得的a和Δφ直接地分析出入射光的偏振态。另外，由于Pancharatnam–Berry相位的无色散特性，该全息超表面可以实现宽带的偏振测量。

整个测量过程中的关键器件仅为一个超表面和一个偏振片，测量更为简单，可将偏振片集成在超表面基底另一侧，再整体集成到一个CCD上，实现紧凑的偏振测量器件。未来，可通过优化结构单元效率和全息图像，进一步增强偏振测量精度。该工作提出的设计方法，也可用于实现偏振编码的全息图像，在信息保密传输方面有着重要应用前景。

-- ||图文一览|| --

图一全息偏振探测原理。

（a）设计的左旋圆偏振光全息成像图样。

（b）设计的右旋圆偏振光全息成像图样。

（c）左旋圆的相位调制分布。

（d）右旋圆的相位调制分布。

（e）偏振探测原理示意图

小结：该全息超表面在左旋和右旋圆偏光入射下分别生成两个相反旋向圆偏光的图像：一种为一个圆环 + 位于圆环内部偏上的圆盘，另一种为一个圆环 + 位于圆环内部偏下的圆盘；两个图像的强度密度和产生效率相同；两个圆环互相重叠，但存在一个拓扑数为2的环形相位差分布。当一束完全偏振光入射时，其包含的两个圆偏振分量会分别生成这两个图像，对于圆环区域，由于相位差分布的存在，不同角度的圆环区域会重新组合出不同的偏振态，通过分析这个偏振态变化，就可得到入射光包含的两个圆偏振分量间的相位差Δφ。而对于两个圆偏振分量间的振幅比a，可以通过测量圆环内部偏上和偏下的两个圆盘的强度值来简单获取。由此，便可根据测得的a和Δφ直接地分析出入射光的偏振态。设计方案比较新颖。

图二 全息偏振探测的数值分析

（a） -（d）计算的右旋圆，45°，左旋椭圆，右旋椭圆全息图的x偏振分量场分布。

（e）偏振椭圆示意图，ψ偏振角，椭偏度。对于（a）-（d）中的四个偏振态，我们分别设置（ψ，χ）（任意值，45°），（45°，0°），（60°，-15°）和（60°， 15°）。

（f）沿（a）-（d）中的圆环（a中的虚线圆）的归一化强度分布与方位角θ的关系。 箭头指向第一最大值，其θ对应于旋性相差的一半。

（g）手性相差角是偏振角的一半。

（h）s3参数与椭偏度的关系曲线。

（i）在庞加莱球上由S和相位差角度还原斯托克斯参数

小结：

左旋圆和右旋圆在圆环上成的像叠加之后产生干涉，提取其中的x偏振分量，由环上的振幅分布可以分析得出相位差角，在圆盘上面成的像是独立的左右旋分量，由两旋性的振幅可以计算出s3参数，在庞加莱球上作图可以分析出其他的s参数，得到偏振态的信息。

图三 设计方案

（a） 设计的左旋圆全息成像图样。

（b） 设计的右旋圆全息成像图样。

（c） G-S算法计算出的左旋圆相位分布。

（d） G-S算法计算出的右旋圆相位分布。

（e） 基本结构宽谱相互正交方向偏振态的透射谱。

（f） SEM图，不同颜色不同旋性。

小结：基本结构200x100x45nm，周期400nm，石英上长金。包含888x888个结构，p-b相位与波长无关，所以可以实现宽谱探测，但是会影响效率，文中提到设计相位分布时没有按照设计方案加工，附加了相位补偿量，会影响单独左旋圆和右旋圆的全息成像效果，但不影响整体全息成像。

图四 实验展示

（a） 实验光路。

（b） （c）仿真的90度偏振变化的相位传输效率曲线。

（d）（e）仿真的线转圆偏振变化的相位传输效率曲线。

（f）用于实现两个考虑波长的波片的所有组合的设计图。x和y轴分别对应于1200和1600nm处的半波和四分之一波片情况，颜色代表设计的纳米柱宽度和长度。

小结：实现了多波长的波片功能。

-- ||点评|| --

在红外波段加工了基于金属条形结构的全息超表面样品，采用偏振片和波片（二分之一波片和四分之一波片）的组合来控制入射偏振，采用简易成像系统测量通过一个线偏振片后的超表面全息图像。实验发现，在多个波长处，根据测量图像分析得出的偏振态与根据模拟图像得到的偏振态、及理论入射偏振态的圆偏振相位差、斯托克斯参数均吻合较好，证明了该全息超表面可实现快速、宽带的偏振检测。

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https://www.nature.com/articles/s41377-019-0193-3

https://doi.org/10.1038/s41377-019-0193-3.

报告人：冯兴  时间：2019.9.10