逆设计全斯托克斯偏振测量超表面同时实现可见光波前传感

《ACS Photonics》：Inverse-Designed Full-Stokes Polarimetric Metasurface with Simultaneous Wavefront Sensing for Visible Light

　　

超表面（Metasurface）已成为紧凑型光学传感器的强大平台，通过用亚波长纳米结构的平面阵列取代笨重透镜。在精密光学计量中，同时测量光束的偏振态和波前对于实时诊断应力诱导双折射（stress-induced birefringence）和表面平整度至关重要。为实现紧凑尺寸下的这一目标，现有超表面通常将其孔径分区为离散区域，这固有地限制了系统的光收集效率和数值孔径（Numerical Aperture，NA）。在此，研究人员展示了一种逆设计（inverse-designed）超表面，该超表面在可见光谱的单个连续孔径内集成了全斯托克斯偏振测量（Full-Stokes polarimetry）和夏克-哈特曼波前传感（Shack-Hartmann wavefront sensing）。通过利用伴随优化（adjoint optimization）方法独立控制每个纳米结构的几何形状和旋转，研究人员打破了孔径共享范式，并将整个像素区域用于所有通道。当与浅层神经网络（shallow neural network）结合以自动识别峰值并校正硬件非理想性时，该器件在庞加莱球（Poincaré sphere）上的100个测试状态下实现了仅0.046的平均偏振重建误差，同时保持了灵敏波前倾斜检测所需的精确焦点跟踪。这项工作凸显了逆设计生成多功能、非直观平面光学器件的能力，这些器件性能优于传统对应物。

**论文解读：逆设计全斯托克斯偏振测量超表面同时实现可见光波前传感**

**研究背景与问题**
透镜在工业、消费电子及科学领域广泛应用，如显微镜、光谱仪和光学对准工具。为确保透镜等光学元件质量，制造商需进行严格测试，其中关键指标包括应力诱导双折射和表面平整度。若这些特性控制不当，会改变光学元件的理想相位分布（波前），扭曲透射光的偏振态和方向，从而影响系统性能。传统上，这两类参数需通过两台独立仪器（偏振计和波前传感器）串联测量，增加了成本和处理时间。超表面（Metasurface）作为基于纳米结构的平面光学平台，为同时实现偏振和波前分析提供了新途径。早期偏振分析中，超表面已采用孔径分区（division-of-aperture）或焦平面分区（division-of-focal plane）配置，但其光收集效率和数值孔径（NA）受限于分区设计。波前测量方面，超表面替代微透镜阵列实现了夏克-哈特曼（Shack-Hartmann）传感，但同样面临分区限制。为实现两种功能的紧凑集成，现有设计依赖多区像素或偏振复用技术，但仍需将像素划分为多个离散区域，导致每个金属透镜（metalens）的孔径仅占像素面积的三分之一，限制了光收集效率和NA。近期逆设计技术虽在偏振测量超表面中展现潜力，但尚未在可见光范围内同时实现全斯托克斯（Full-Stokes）偏振精确测量与波前畸变精密传感，且不牺牲效率与空间分辨率。因此，亟需一种统一架构，在最大化光收集效率的同时，无妥协地提供完整偏振与波前测量能力。

**研究内容与意义**
研究人员展示了一种逆设计可见光超表面，在单个紧凑孔径内集成全斯托克斯偏振测量和夏克-哈特曼波前传感。该多功能能力在光学元件机械安装过程中的实时质量控制中极具价值：当透镜或波片被夹紧或粘合到外壳时，结构应力会引入局部应力诱导双折射和表面翘曲，扭曲透射光的偏振态和相位分布。传统计量需分步检测，无法同时表征，且增加成本。为克服这一挑战，研究人员开发了单区超表面阵列，突破了传统分区设计的孔径共享限制。通过基于伴随的方法独立控制每个纳米结构的尺寸和旋转角，超表面将一个像素内的入射光聚焦到六个偏振分辨通道中。焦点位移提供波前倾斜的灵敏测量，而焦点强度通过浅层神经网络评估以重建偏振态。实验表明，基于标定映射，该器件在100个测试状态下实现0.046的平均偏振重建误差，同时通过焦点位移实时测量波前倾斜，空间分辨率足以满足精密波前计量。该工作发表在《ACS Photonics》，凸显了逆设计在多功能、非直观平面光学器件中的优势，性能优于传统分析设计。

**关键技术方法**
（不超过250字）
研究人员采用逆设计方法，基于伴随优化（adjoint optimization）算法，通过预计算TiO₂纳米结构库（宽度130–330 nm，高度600 nm，周期450 nm，工作波长532 nm），利用严格耦合波分析（RCWA）模拟光学响应，获得宽度、长度对应的x/y偏振传输幅度和相位。优化目标为最大化最弱偏振通道的焦点强度，迭代调整纳米结构尺寸（宽度、长度）和旋转角，梯度计算通过格林函数传播近场至焦点。算法收敛后导出GDSII文件。制造采用电子束光刻（EBL）和原子层沉积（ALD）在二氧化硅衬底上形成高深宽比TiO₂纳米结构。偏振重建使用浅层神经网络（6-3-3结构，ReLU激活），将六个焦点强度映射至Stokes参数，训练数据来自实验测量，以校正硬件非理想性（如CMOS非线性）。波前传感通过转动臂改变入射角，测量焦点位移，灵敏度为21.8 μm/deg（物平面）。

**研究结果**
**Operating Concept and Inverse-Design Strategy**
通过逆设计优化，研究人员实现了单孔径内六个偏振通道的独立焦点控制。模拟显示，优化后的超表面布局呈现非直观的纳米结构分布，其焦点强度平衡，模拟偏振重建误差在庞加莱球上达到10^–7量级，验证了设计方法的有效性。该设计采用100 μm × 100 μm正方形像素，支持无缝拼接，数值孔径（NA）达0.05，约为同等焦距下1/3孔径分区设计的3倍，显著提升了聚焦能力和信噪比。

**Results and Discussion**
**偏振表征（Polarization characterization）**：通过搭建自动旋转波片（半波片、四分之一波片）与固定偏振器组合的光学系统，研究人员制备了100个均匀分布在庞加莱球上的测试偏振态。利用相机记录焦点图像，固定半径内积分强度，并采用浅层神经网络从六焦点强度重建Stokes参数。结果显示，平均偏振重建误差为0.046（欧几里得距离），优于基于标准线性标定矩阵的0.049，并与文献报道的其他紧凑型偏振计性能相当（如0.039–0.130）。该误差水平表明，逆设计超表面结合神经网络可有效补偿制造缺陷和CMOS非线性等非理想性。整体聚焦效率约53%，低于传统三区空间复用设计的73%，但逆设计产生的焦点更紧凑（半高全宽约4 μm，接近衍射极限2.7 μm），允许在更小面积内积分，维持高信噪比，并提升夏克-哈特曼波前传感的动态范围和精度。

**夏克-哈特曼波前传感（Shack-Hartmann wavefront sensing）**：采用旋转臂携带激光源和毛玻璃扩散器，将超表面置于旋转中心，研究入射角变化对焦点位移的影响。测量显示，相机平面上焦点位移灵敏度为126.1 px/deg（像素尺寸3.45 μm），对应物平面灵敏度约21.8 μm/deg（经20×放大校正）。设计上，焦点间距25 μm，半高全宽约4 μm，确保清晰分离，有效角度范围1.4°，足以测量典型平面畸变。与商业夏克-哈特曼传感器（透镜间距150–300 μm，焦距5–15 mm，灵敏度80–240 μm/deg，动态范围1°–3°）相比，该超表面传感器牺牲了绝对位移灵敏度（21.8 μm/deg，焦距1 mm），但换取了更紧凑的尺寸（100 μm像素间距）和更精细的空间采样，同时集成了全斯托克斯偏振测量功能。

**总结讨论与结论**
研究人员总结，该逆设计可见光超表面成功将全斯托克斯偏振测量和夏克-哈特曼波前传感集成于单一紧凑孔径内。通过超越孔径共享范式，单区设计利用整个像素面积服务于每个偏振通道，显著提升了数值孔径。所得器件实现了高保真偏振重建，平均误差仅0.046（100个测试状态），同时保持了高分辨率光学计量所需的灵敏波前倾斜检测。这种紧凑、可拼接的封装中实现的功能组合，展示了逆设计在创建高度集成光学传感器方面的能力，适用于光学元件应力和表面平整度的实时诊断。该工作表明，优化驱动的元光学可在多功能性和精度上超越传统分析设计。

**结论部分翻译**
研究人员已展示了一种逆设计可见光超表面，将全斯托克斯偏振测量和夏克-哈特曼波前传感集成于单一紧凑孔径内。通过超越孔径共享范式，该单区设计利用整个像素面积用于每个偏振通道，显著提高了器件的数值孔径。所得器件实现了高保真偏振重建，在100个测试状态下平均误差幅度仅为0.046，同时保持了高分辨率光学计量所需的灵敏波前倾斜检测。这种紧凑、可拼接的封装中实现的功能组合，展示了逆设计在创建用于光学元件应力和表面平整度实时诊断的高度集成光学传感器方面的能力。该工作表明，优化驱动的元光学可在多功能性和精度上超越传统分析设计。