统一全斯托克斯偏振测量与轨道角动量计量利用各向同性D2NN

《Laser & Photonics Reviews》：Unified Full-Stokes Polarimetry and Orbital Angular Momentum Metrology Leveraging Isotropic D2NN

　　

偏振和相位构成结构光的完整矢量波前信息，这在光学计量和通信中至关重要。然而，矢量波前的单次采集仍受限于复杂的算法迭代和苛刻的器件制造。在此，研究人员提出一种多功能各向同性深度衍射神经网络（D2NN）框架以克服这些限制。通过利用D2NN，研究人员展示了解码与自旋轨道耦合相关的纵向偏振场以获取全斯托克斯参数的能力，同时重建纵向波前涡旋相位。研究结果显示，使用单个纯相位掩模，基于D2NN的检测几何结构在全斯托克斯恢复中实现了超高精度（>99%），在轨道角动量（OAM）谱重建中实现了极低误差（<0.5%），并具有显著的噪声鲁棒性。更令人印象深刻的是，由纵向场介导的初步实验衍射场模式与D2NN支持的理论结果一致，实现了统一的全斯托克斯偏振测量和OAM计量。与先前的矢量波前重建方法相比，各向同性D2NN通过利用光速前向推理消除了迭代计算和显式偏振控制。所提出的D2NN为需要同时获取偏振和相位信息的工业快照联合计量提供了一条有前景的途径。

**论文解读：基于各向同性深度衍射神经网络的统一全斯托克斯偏振测量与轨道角动量计量**

**研究背景与问题**
结构光场（structured light）的矢量波前信息由空间变化的偏振态（以斯托克斯参数表征）和方位相位梯度（以轨道角动量OAM描述）共同构成。偏振信息通过局域斯托克斯偏振工程实现目标识别，而OAM则利用其无穷正交维度支持高维信息编码。同时控制并获取偏振和相位信息对于完整表征矢量涡旋光束至关重要，这在天体物理、材料科学、分子生物学等领域具有广泛应用。然而，现有矢量波前检测技术主要依赖几何各向异性元件进行偏振分析或干涉测量进行相位恢复，通常每次只能捕获单一维度，在检测效率、测量速度和恢复精度方面存在局限。因此，迫切需要开发能够单次、实时、高精度检测混合偏振和相位信息的新方法。

**研究内容与意义**
研究人员提出并实验验证了一种各向同性深度衍射神经网络（D2NN）框架，可同时执行全斯托克斯偏振分析和OAM谱分解。该框架利用自旋轨道耦合（spin–orbit coupling）产生的标量纵向场（longitudinal field, LF）作为压缩感知载体，通过单个纯相位掩模实现光速前向推理，无需迭代算法和显式偏振控制，从而避免了复杂的微纳加工工艺。研究结果表明，该D2NN检测系统在全斯托克斯恢复中精度超过99%，OAM谱重建误差低于0.5%，且具有出色噪声鲁棒性。初步实验衍射场模式与理论结果一致，验证了统一全斯托克斯偏振测量和OAM计量的可行性。该工作发表在《Laser》期刊。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术：1）利用非傍轴聚焦下的自旋轨道耦合效应，将任意偏振入射光束的横向分量耦合产生纵向偏振涡旋场，该纵向场（LF）的标量特性使其可通过单层各向同性相位掩模调制；2）设计基于D2NN的纯相位衍射网络，通过优化相位掩模将LF的复振幅信息映射为远场强度分布，实现光学回归任务；3）构建复合损失函数（包括平均绝对误差、物理约束项、强度平衡项和对比度损失项）训练网络，数据集来自庞加莱球（Poincaré sphere）参数化采样，共30000个样本（24000训练，6000验证，另设1620独立测试样本）。

**研究结果**
1. **系统架构与原理**：研究人员提出整体光路，包括偏振态生成器、聚焦物镜、涡旋延迟器（VR）和线性偏振器（POL）组成的LF转换模块，以及单层或双层D2NN相位掩模。D2NN由160×160个衍射神经元组成，每个神经元尺寸2 μm。网络输出平面设置11个探测器，通过差分强度解码斯托克斯参数，通过强度比值解码OAM谱（拓扑电荷l = -2, -1, 0, 1, 2）。
2. **训练性能与误差评估**：单层D2NN经过1000轮训练稳定收敛，验证集上斯托克斯参数和OAM谱的平均误差和最大误差在约200轮后降至1%以下。对81个偏振子区域（均匀覆盖整个庞加莱球）的测试表明，平均斯托克斯误差<1%，平均OAM谱误差<0.5%。各分量误差分析显示，S₁和S₂误差<1%，S₃误差稍高但低于2%，归因于单层神经元数量限制。
3. **典型偏振态解码演示**：对于六个标准偏振态，11个探测器产生独特强度分布，所有参数提取误差均低于1%。随机选取的椭圆偏振态测试中，检索到的斯托克斯参数（-0.5884, 0.5082, 0.6211）与标签值（-0.5877, 0.5103, 0.6278）的绝对误差仅为0.0007、0.0021、0.0067；OAM谱系数（0.0018, 0.8134, 0.0011, 0.1831, 0.0006）与标签值（0.0020, 0.8100, 0.0030, 0.1850, 0.0000）高度吻合。
4. **单层与双层设计对比**：引入第二层相位掩模后，背景噪声抑制能力显著提升。双层架构实现斯托克斯参数精度99.75%，OAM谱精度99.94%，信号背景比从单层的3.21提升至9.64。预测一致性热图显示最大斯托克斯误差和OAM误差分别低于0.257%和0.069%。
5. **实验验证**：利用相位型空间光调制器（SLM）加载训练好的单层相位掩模，对左旋和右旋圆偏振光进行测试。实验强度分布成功区分了手性，斯托克斯参数平均误差约10.0%，OAM谱参数平均误差约5.5%，误差主要源于SLM像素尺寸、衍射效率和非理想透镜效应。实验衍射模式与理论结果定性一致，验证了方法的可行性。

**讨论与结论**
研究人员在讨论中指出，该各向同性D2NN将多参数光学计量重构为单次定量回归问题，利用纵向场建立标量复振幅与偏振矢量之间的物理对应关系。系统在10%以下高斯噪声水平下保持强鲁棒性，超过此阈值会导致全偏振光退化为部分偏振光，当前框架尚需扩展。引入更多子探测器可提升高阶叠加波前的分辨能力。

结论部分翻译：总之，研究人员提出了一种各向同性D2NN框架，用于同时感知全斯托克斯偏振态和OAM谱。该设计利用紧聚焦下自旋轨道耦合相关的纵向偏振场的标量特性，通过纯相位调制实现完整信息编码，并借助远场散斑解码进行高速光学推理。优化的单层相位网络实现了与几何各向异性器件相当的空间变编码能力，但无需迭代后处理，并提供了与超表面相当的复场映射功能，但无需复杂纳米加工。关键的是，所提出的D2NN将解码逻辑完全嵌入光波传播的物理过程，允许直接单次获取偏振和相位信息。结果表明，基于D2NN的检测同时实现了高精度（斯托克斯参数精度>99%，OAM谱误差<0.5%）、结构简单（单层各向同性相位掩模）和极低的计算/制造开销（以光速运行无需额外定制），这是传统偏振敏感光学难以实现的。更重要的是，偏振-相位重建的实验衍射模式与D2NN支持的理论结果定性一致。这种集成D2NN光学处理器有望用于超快实时多参数光学计量、三维偏振全息成像，并在光学量子通信中具有可扩展性。