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杨振宇、夏金松团队基于超表面透镜阵列光学多参量成像研究获突破

作者: 时间:2018-11-06 点击数:

2018年11月2日,《自然.通讯》(Nature Communications)在线发表了华中科技大学光学与电子信息学院杨振宇教授团队和武汉光电国家研究中心夏金松教授团队合作论文“Generalized Hartmann-Shack array of dielectric metalens sub-arrays for polarimetric beam profiling”。华中科技大学光学与电子信息学院杨振宇教授、汪肇坤博士和武汉光电国家研究中心王玉西博士为论文共同第一作者,华中科技大学夏金松教授、杨振宇教授为论文共同通讯作者。

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自从150多年前麦克斯韦预言光是一种电磁波开始,人们就认识到了:振幅、偏振、相位、频率是光波的基本参量,但如同我们的眼睛一样,目前的光探测器只能感知光的强度,而无法直接感知偏振与相位。因此人们大都需要在光探测器前增加一些分立元件。例如,传统偏振态探测系统需要在CCD前增加偏振片和四分之一波片;传统的Hartmann-Shack波前探测系统需要在CCD前增加微透镜阵列。这不仅增加了系统的重量、体积与复杂性,进而也带来了系统集成的难度。随着未来高性能、便携式、可穿戴光学设备与系统的发展,人们越来越期望具有小尺寸、低重量和多重功能的偏振态、波前光学探测系统。近年来,亚波长的介质超表面材料越来越受到人们的重视,由于其能够对光波的振幅、相位、偏振进行灵活的调控,且损耗小,因此成为了解决上述挑战的最有希望的途径。

同时获得光束的振幅、相位和偏振信息是一项非常有意义的工作,在这里,研究团队创建了一个广义的Hartmann-Shack超表面透镜阵列,该阵列不仅能够测量光束的振幅和相位梯度分布,而且可同时测量空间偏振分布。该研究团队在武汉光电国家研究中心微纳加工与测试平台成功地制备出了基于硅(Silicon)超表面材料的多维光学参量成像芯片,该芯片是由偏振敏感的超表面透镜阵列所构成,其数值孔径为0.32,平均聚焦效率为28%,工作波长为1550nm,可以实时完成光束振幅、相位、偏振态的二维测量,且具有良好的测量精度。在该论文中,研究人员详细地阐述了多维光学参量成像芯片的设计思想,并对18种不同偏振态的光进行了测量。同时为了验证该芯片具备对于复杂相位、偏振态分布的探测能力,研究人员对不同矢量光束与涡旋光束也进行了探测,实验结果与理论值吻合得很好。研究团队已于2017年初将该项工作申请了国家发明专利(申请号:201810111548.1)。该研究成果能够实现对光束强度、偏振、相位等多维信息的实时成像,且具有工艺简单、系统集成度高的优点,其将会在诸多光学探测、成像等领域有令人期待的应用前景。

该研究得到了国家自然科学基金、863计划、华中科技大学创新基金、武汉光电国家研究中心的支持。在此,全体作者表示由衷地感谢!他们也期待能与相关研究团队开展合作或深入的交流(zyang@mail.hust.edu.cn,027-87557747,jsxia@hust.edu.cn,027-87793864)。

文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-07056-6.pdf

DOI: 10.1038/s41467-018-07056-6

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图1.多维光学参量成像芯片原理示意图

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图2.成像芯片的微结构显微照片

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图3.不同矢量光束探测的结果

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图4.涡旋光探测的结果

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