近日，清華大學深圳國際研究生院何宏輝、何永紅團隊與牛津大學合作，在偏振光學研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。團隊創(chuàng)新性地利用光學斯格明子結(jié)構(gòu)光場，開發(fā)出一套針對復雜偏振像差的高精度表征與校正方案，為生物醫(yī)學成像與文物材料分析等應(yīng)用提供了新途徑。

傳統(tǒng)光學元件和樣品本身導致的偏振衰減（diattenuation）與相位延遲（retardance）嚴重影響了偏振測量的準確性。特別是長期被忽視的偏振衰減像差，即衰減器選擇性吸收特定偏振分量，引起不可逆的光強損失和偏振態(tài)失真，極大限制了傳統(tǒng)偏振校正技術(shù)的效果。何宏輝、何永紅團隊及其合作者提出以光學斯格明子作為偏振態(tài)探針，利用其偏振分布覆蓋整個龐加萊球、可同時對光學系統(tǒng)的偏振響應(yīng)進行全局采樣與評估的特點，極大提升了偏振像差的探測、系統(tǒng)校正的效率和魯棒性。該新型偏振光學測量技術(shù)有望實現(xiàn)對偏振場的全域、動態(tài)和高精度控制。

圖片:321071AACF0943635C8274EF11A_0A5B2651_95E74.png

分析經(jīng)衰減介質(zhì)后的光場斯格明子數(shù)值變化可明確判斷系統(tǒng)是否仍具備全偏振態(tài)的保持能力

研究團隊通過級聯(lián)多個空間光調(diào)制器（SLMs），構(gòu)建出可編程偏振調(diào)控模塊，能夠在微米尺度上動態(tài)生成并操控具有特定偏振分布的結(jié)構(gòu)光場。該模塊不僅可精準生成目標偏振態(tài)，還能有效補償因光學元件或樣品引入的偏振誤差。為量化評估系統(tǒng)的偏振保持能力，團隊引入拓撲學中的斯格明子數(shù)（Skyrmion Number;SN）作為評價指標。通過分析經(jīng)衰減介質(zhì)后的光場SN值變化，可明確判斷系統(tǒng)是否仍具備全偏振態(tài)的保持能力，從而為偏振光學系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供了明確邊界及指導。在應(yīng)用驗證中，該方法成功應(yīng)用于骨髓組織病理切片和古代朱砂顏料樣本的偏振分析。實驗表明，即便在存在明顯衰減像差的條件下，該系統(tǒng)仍能有效恢復樣品的真實偏振信息，顯著提升了偏振測量數(shù)據(jù)的可靠性與準確性。

研究成果以“利用光學斯格明子評估復雜像差下矢量自適應(yīng)光學系統(tǒng)性能的新方法”（Using optical skyrmions to assess vectorial adaptive optics capabilities in the presence of complex aberrations）為題，于10月3日發(fā)表于《科學進展》（Science Advances）。

清華大學深圳國際研究生院2021屆碩士畢業(yè)生沈元星和牛津大學2021級博士生馬逸飛、博士后趙子墨為論文共同第一作者，清華大學深圳國際研究生院副研究員何宏輝、北京大學教授羅琳、清華大學深圳國際研究生院研究員何永紅、牛津大學教授何超為論文通訊作者。牛津大學光電工程學科方向主席、教授馬丁·布斯（Martin Booth），牛津大學工程系副主任、教授斯蒂芬·莫里斯（Stephen Morris）等學者對研究給予了支持。研究得到國家自然科學基金重點項目以及英國皇家學會的資助。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv7904