高性能超表面元件实现近红外全斯托克斯偏振探测

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室胡敬佩副研究员和苏州大学合作，提出一种基于绝缘硅片的像素式超表面元件实现了近红外全斯托克斯偏振的探测。相关研究成果以“High efficiency all-dielectric pixelated metasurface for near-infrared full-Stokes polarization detection”为题发表在OSA旗下Photonics Research（IF：7.080）上。

偏振与强度、相位一样是光的重要特征。传统的成像技术只捕捉光的强度和光谱信息，而忽略了场景中的偏振信息。这些信息往往可以获得关于材料更深入的细节，如表面形状、粗糙度、光活性和化学性质等。因此偏振成像在许多应用中发挥着重要作用，如天文学、化学分析、遥感和生物医学诊断。

传统的偏振测量法方法需要多次旋转偏振器和延迟波板来获得不同偏振的信息，这通常较长的采集时间，并且不能用于动态目标。此外，传统偏振光学元件体积庞大，不符合目前器件集成化和小型化的趋势。像素超表面结合CCD器件的方法的提出可以解决上述问题。然而，目前大多数像素化超表面只适用于线性偏振光，而无法对圆偏振光进行检测，只能检测到部分Stokes向量 (S0、S1、S2)。虽然三维手性等离子体超表面可以获得一个高的圆二色性响应，但这些三维超材料很难与单层上的纳米线栅极振滤波器集成。因此，设计一种能与线偏振滤波片兼容在同一芯片上，且能与CCD集成耦合的高性能圆偏振滤波片至关重要。

为了克服上述困难，研究团队利用基于二维“Z”型结构的圆偏振片与三个结构相同栅线方向不同的光栅线偏振片为像素单元，如图1所示，通过一次曝光，该超表面元件就可以探测入射光中的线偏振分量和圆偏振分量。实验测得的线偏振片在1.47～1.6 μm波段TM偏振光的平均透过率为75%左右，消光比大于20 dB。

图1 像素单元示意图，(F0, F1, F2)和F3分别代表线性偏振滤波器和圆偏振滤波器

其中“Z”型圆偏振二色性器件。在1.48～1.6 μm波段测得的右旋圆偏振光的平均透过率大于80%，圆偏振二色性在波长1.6 μm处高达70%，能够满足大多数应用的需求。与基于表面等离子体的圆偏振滤波片相比，Z型全介质圆偏振滤波片的能量利用率具有极大的提升，而且二维平面结构易与线偏振集成到一个芯片上，为全斯托克斯偏振探测提供了可行性。

此外，整个超表面元件以绝缘硅片为基片，不仅对线偏振光和圆偏振光具有较高的透过率，也为后续偏振成像中与CCD的集成耦合提供了可行性。

图2 (c)：带有Z形图案的CP滤波器。(d):由纳米线网格光栅组成的LP滤波器。

图3 (a)：作为RCP（黑色）和LCP（红色）光的CP滤光片模拟透射光谱。(b): 相应的圆二色性。(c,d): RCP光和LCP在波长为1.6 μm入射时电场横截面图。

图4 (a)：CP滤波器参数测量设置示意图。(b)：RCP和LCP光实验透射光谱。(c)：CP滤波器的相应圆二色性。(d)：线偏光实验透射光谱。(e)：线偏光实验消光比。