基于双波长偏振超构光栅的偏振成像系统设计

《Optics & Laser Technology》：Design of a polarization imaging system based on Dual-Wavelength polarization metasurface gratings

　　

摘要专业翻译 基于偏振超构光栅（polarization metasurface gratings）的成像系统能够有效缩减系统体积、避免滤波损耗，并提升偏振检测的能量利用效率。然而，偏振超构光栅的高色散特性限制了其仅在特定波长下工作，难以满足智能终端、工业检测和医学成像等应用对多波长及宽带光谱的需求。本研究引入一种多目标优化方法，设计了一种用于偏振成像系统的双波长（1550 nm和1310 nm）偏振超构光栅（polarization metagrating）。所设计的成像系统在相应设计波长处分别实现了55.82%和56.85%的偏振效率，且线偏振角（AOP）、偏振度（DOP）和椭圆率角（EOP）的误差分别低于3.89°、0.10和3.05°。该工作拓展了偏振成像的适用范围，为基于超构表面的多波段及宽带偏振测量系统奠定了研究基础。

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一、研究背景与问题

偏振成像技术通过探测和分析光波经目标反射（或透射）后偏振特性的变化，能够实现对目标表面形貌及内部性质的无损检测与成像，已广泛应用于遥感、生物医学和工业检测等领域。传统偏振成像系统主要采用级联分立光学元件，包括偏振器、波片和透镜等，这类系统通常结构复杂、体积庞大、能量效率低、抗干扰能力弱，且难以实现实时成像，限制了其在实际场景中的部署。随着便携设备、无人机成像和消费电子等应用对系统小型化和多功能集成需求的日益迫切，偏振成像系统的微型化与高集成化已成为重要研究趋势。

超构表面（metasurface）是由按特定规律排列的亚波长人工微结构构成的二维平面材料，能够对光的偏振、相位和振幅进行灵活调控。将偏振敏感的超构表面元件引入偏振成像系统以替代传统分立光学元件，可有效减轻系统重量和体积。早期研究人员利用偏振敏感超构透镜（metalens）实现了单波长焦平面分割偏振成像，但实际偏振成像应用常涉及具有宽带光谱特征的目标，研究人员随后将偏振超构透镜的设计从单波长拓展至双波长、三波长乃至多波长。然而，已有双波长超构透镜的研究多集中于初步偏振成像性能验证，未对不同工作波长下的偏振特性进行系统比较；且正交偏振复用策略本质上限制了设计向更多波长的扩展。现有多波长超构透镜仅验证了偏振检测功能，所有偏振态的检测误差超过6%，其能量效率和空间分辨率因偏振敏感单元设计和空间分割策略而不可避免地下降。

为提升偏振成像系统的能量效率和空间分辨率，研究人员探索将具备偏振检测能力的超构表面与传统成像元件结合以实现偏振成像。其中，超构光栅（metagrating）因其高衍射效率和全斯托克斯偏振检测能力而被广泛采用。偏振超构光栅是一种亚波长厚度的透射型平面衍射光栅，能将入射光衍射至不同衍射级次，同时为每个对应级次赋予预定偏振态。与空间交错排布不同偏振敏感单元的超构透镜相比，超构光栅中所有单元在成像过程中作为统一整体协同工作，因此可实现更高的空间分辨率。此外，通过分束和多通道设计，偏振超构光栅能有效降低滤波损耗。例如，Rubin等人实现了高效率（>80%）偏振分束和实时全偏振成像，但该系统仅能工作在单一波长。Wu等人通过在4f系统中级联一维和二维超构表面偏振光栅，实现了波长不敏感的快照式斯托克斯偏振成像仪器，但多元件级联架构限制了其在紧凑光学系统中的应用。尽管已有单层双波长偏振超构光栅的演示，但其成像应用受限于一维衍射几何，不同衍射级次因衍射角不同而产生级次相关的图像畸变，增加了图像配准的复杂度。Li等人展示了单片超构光栅透镜，将光栅的偏振分束能力与超构透镜的成像功能结合，但该研究主要聚焦于宽带偏振检测，其宽带偏振成像性能尚未得到充分验证和量化。因此，利用单层超构表面实现高精度多波长偏振成像仍是一个待解决的挑战。

二、研究内容与意义

研究人员采用基于傅里叶光学的多目标优化方法，将双参数库搜索问题转化为单参数库优化问题，设计了一种在1310 nm和1550 nm波长处具有可比偏振检测性能的偏振超构光栅。实验结果表明，在两个波长下，线偏振角（AOP）检测误差小于0.88°，偏振度（DOP）误差小于0.04；对于椭圆偏振，椭圆率角（EOP）检测误差保持在2.55°以下。随后，研究人员对人血涂片、蛙血涂片和三层堆叠云母片进行了成像实验，结果揭示了不同波长和不同入射偏振态下的不同偏振响应。该工作验证了偏振超构光栅的偏振成像能力，强调了双波长偏振成像的必要性，并为未来多波长和宽带超构表面偏振成像技术的发展提供了新的研究方向。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要关键技术方法包括：基于傅里叶光学的多目标优化方法，将双参数库搜索问题转化为单参数库优化，实现双波长协同设计；二维偏振超构光栅设计，通过在二氧化硅（SiO₂）基底上制备单层硅（Si）纳米柱阵列，利用传播相位和几何相位独立调控两个正交偏振态的周期相位梯度，将不同偏振分量偏转至不同衍射级次；每个光栅周期包含21×21个单元，每个单元为650 nm×650 nm矩形网格，内置高度800 nm的纳米柱，共需设计1323个相位参数；通过琼斯矩阵（Jones matrix）描述各衍射级次的偏振响应，实现偏振复用与分束。

四、研究结果

2.1 基本原理与设计原则

二维偏振超构光栅通过亚波长各向异性谐振单元构造空间变化的琼斯矩阵，利用传播相位和几何相位独立地对两个正交偏振态施加周期相位梯度，将不同偏振分量偏转至不同衍射级次，从而实现偏振复用、分束和矢量衍射。研究人员选择1310 nm和1550 nm作为工作波长，考虑近红外波段偏振成像系统的广泛应用以及不同波长下衍射级次可区分的要求。当包含1310 nm和1550 nm分量的未知偏振态同时照射光栅时，每个波长产生四个衍射级次，共产生八束衍射光，其中1550 nm对应的衍射级次具有更大的衍射角。为确保两个工作波长下对应衍射级次的偏振态一致并平衡双波长性能差异，研究人员提出多目标优化策略，实现高偏振精度与双波长性能均衡的协同设计。

实验结果表明，在1310 nm和1550 nm两个设计波长处，成像系统的偏振效率分别为55.82%和56.85%。线偏振角（AOP）检测误差低于0.88°，偏振度（DOP）误差低于0.04，椭圆率角（EOP）检测误差低于2.55°。在成像验证方面，研究人员对人血涂片、蛙血涂片和三层堆叠云母片进行偏振成像实验，结果显示不同波长和不同入射偏振态下样品呈现明显的偏振响应差异，验证了双波长偏振成像的必要性和有效性。

五、讨论与结论

该研究通过多目标优化方法成功实现了双波长偏振超构光栅的设计与验证，在两个近红外波长下均实现了高精度的偏振检测和偏振成像。与已有单波长偏振超构光栅系统相比，该工作将工作波长扩展至双波长，同时保持了较低的偏振参数检测误差，克服了偏振超构光栅高色散特性对多波长应用的限制。与多波长超构透镜方案相比，超构光栅的全单元协同工作模式保证了更高的空间分辨率，且避免了空间分割策略带来的能量效率损失。该研究为多波段和宽带超构表面偏振成像系统的发展奠定了基础，拓展了偏振成像技术在智能终端、工业检测和医学成像等领域的应用前景。

研究结论为：研究人员采用基于傅里叶光学的多目标优化方法，设计并验证了一种在1310 nm和1550 nm双波长下具有可比偏振检测性能的偏振超构光栅。实验证明在两个波长下均实现了高精度的线偏振和椭圆偏振参数检测，并通过生物样本和矿物样本的成像实验验证了双波长偏振成像的可行性。该工作为未来多波长和宽带超构表面偏振成像技术的发展提供了新的研究方向。