在Yanjun Bao教授和aojun Li教授的指導(dǎo)下，暨南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種基于超表面的新型成像方法，可在單次曝光中同時(shí)測(cè)量任意光場(chǎng)的強(qiáng)度、相位和偏振態(tài)。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)需復(fù)雜裝置與多次測(cè)量的局限性，相關(guān)成果發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》。

光場(chǎng)作為電磁波具有偏振、強(qiáng)度和相位三項(xiàng)基本特性，對(duì)此三參數(shù)的精準(zhǔn)成像是生物醫(yī)學(xué)診斷、通信傳輸及光學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)光參數(shù)測(cè)量技術(shù)多依賴于包含分束器、波片、偏振片等多項(xiàng)大型光學(xué)元件的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，需通過多次測(cè)量才能獲取完整信息。

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基于超表面的單發(fā)成像系統(tǒng)示意圖，用于完整表征任意光場(chǎng)強(qiáng)度、相位和偏振。

這一特性極大限制了其在動(dòng)態(tài)光場(chǎng)表征中的應(yīng)用，不僅顯著增加了系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，更需通過多次測(cè)量才能獲取完整的參數(shù)分布信息。近年來，基于超表面的成像技術(shù)逐漸發(fā)展成為替代傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的新技術(shù)方案。

然而當(dāng)前大多數(shù)超表面成像技術(shù)對(duì)被測(cè)光場(chǎng)的參數(shù)分布存在特定要求，且只能獲取部分參數(shù)信息，這嚴(yán)重制約了其實(shí)際應(yīng)用范圍。

因此，開發(fā)能同時(shí)測(cè)量任意光場(chǎng)全部參數(shù)的新型成像技術(shù)具有重要科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用潛力。

該技術(shù)通過優(yōu)化算法對(duì)超表面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)入射光場(chǎng)正交偏振分量可控有效衍射的同時(shí)，產(chǎn)生所需的參考光場(chǎng)。

憑借這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可在單次曝光中獲取光場(chǎng)的全部參數(shù)信息。該研究顯著拓展了超表面在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，相關(guān)成果已正式發(fā)表。

該超表面成像系統(tǒng)可將具有任意強(qiáng)度、相位和偏振分布的入射光場(chǎng)衍射為七幅子圖像，并成像于CMOS感光元件。其中四幅子圖像為x/y偏振圖像的不同相位干涉圖，用于強(qiáng)度與偏振信息提取；三幅子圖像為x偏振圖像與120°相位差均勻背景光場(chǎng)的干涉圖樣，用于相位信息重建。

研究團(tuán)隊(duì)采用梯度下降算法對(duì)均勻背景光場(chǎng)強(qiáng)度和多級(jí)衍射效率進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。相較于傳統(tǒng)正向設(shè)計(jì)，均勻背景光強(qiáng)提升約14倍，多級(jí)衍射效率提升約5倍。通過四個(gè)納米棒結(jié)構(gòu)組成的像素單元，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化后超表面瓊斯矩陣的四個(gè)自由度參數(shù)調(diào)控。為驗(yàn)證效果，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)造了三種不同的輸入光場(chǎng)分布。

經(jīng)該成像系統(tǒng)處理和圖像校準(zhǔn)后，成功重建了輸入光場(chǎng)的所有參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)了單曝光條件下對(duì)任意光場(chǎng)分布的強(qiáng)度、相位和偏振信息的完整表征。

相關(guān)閱讀：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae418