高效超表面实现光场参数同步获取

在Yanjun Bao教授和aojun Li教授的指导下，暨南大学研究团队开发出一种基于超表面的新型成像方法，可在单次曝光中同时测量任意光场的强度、相位和偏振态。该技术突破了传统光学系统需复杂装置与多次测量的局限性，相关成果发表于《国家科学评论》。

光场作为电磁波具有偏振、强度和相位三项基本特性，对此三参数的精准成像是生物医学诊断、通信传输及光学探测等领域的重要基础。传统光参数测量技术多依赖于包含分束器、波片、偏振片等多项大型光学元件的复杂光学系统，需通过多次测量才能获取完整信息。

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基于超表面的单发成像系统示意图，用于完整表征任意光场强度、相位和偏振。

这一特性极大限制了其在动态光场表征中的应用，不仅显著增加了系统复杂度和成本，更需通过多次测量才能获取完整的参数分布信息。近年来，基于超表面的成像技术逐渐发展成为替代传统光学系统的新技术方案。

然而当前大多数超表面成像技术对被测光场的参数分布存在特定要求，且只能获取部分参数信息，这严重制约了其实际应用范围。

因此，开发能同时测量任意光场全部参数的新型成像技术具有重要科学价值和应用潜力。

该技术通过优化算法对超表面结构参数进行精密设计，在实现入射光场正交偏振分量可控有效衍射的同时，产生所需的参考光场。

凭借这一创新设计，系统可在单次曝光中获取光场的全部参数信息。该研究显著拓展了超表面在光学领域的应用潜力，相关成果已正式发表。

该超表面成像系统可将具有任意强度、相位和偏振分布的入射光场衍射为七幅子图像，并成像于CMOS感光元件。其中四幅子图像为x/y偏振图像的不同相位干涉图，用于强度与偏振信息提取；三幅子图像为x偏振图像与120°相位差均匀背景光场的干涉图样，用于相位信息重建。

研究团队采用梯度下降算法对均匀背景光场强度和多级衍射效率进行联合优化。相较于传统正向设计，均匀背景光强提升约14倍，多级衍射效率提升约5倍。通过四个纳米棒结构组成的像素单元，可实现优化后超表面琼斯矩阵的四个自由度参数调控。为验证效果，研究团队构造了三种不同的输入光场分布。

经该成像系统处理和图像校准后，成功重建了输入光场的所有参数信息，实现了单曝光条件下对任意光场分布的强度、相位和偏振信息的完整表征。

相关阅读：https://doi.org/10.1093/nsr/nwae418