光場(chǎng)攜帶了振幅、相位、偏振、光譜等多個(gè)維度的信息。對(duì)于光電傳感器，除去光強(qiáng)，對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景額外維度光場(chǎng)信息的感知也具有重要意義。例如，對(duì)光場(chǎng)偏振信息的探測(cè)可以實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)、“穿云去霧”等特殊功能，可被用于工業(yè)檢測(cè)、遙感等場(chǎng)合。光譜會(huì)攜帶物質(zhì)的“指紋”信息，對(duì)光譜的精細(xì)探測(cè)正在天文探測(cè)、消費(fèi)電子等應(yīng)用領(lǐng)域扮演日漸重要的角色。

圖1：傳統(tǒng)偏振光譜探測(cè)（a）和基于動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面的偏振光譜探測(cè)（b）系統(tǒng)示意圖

然而，傳統(tǒng)偏振測(cè)量?jī)x和光譜儀需要借助額外的空間分光元件或機(jī)械掃描部件，導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題。更進(jìn)一步地，若想實(shí)現(xiàn)針對(duì)多維光場(chǎng)的同時(shí)探測(cè)，一般需要利用不同偏振探測(cè)和光譜探測(cè)手段的級(jí)聯(lián)（如圖1a所示），這會(huì)使得系統(tǒng)體積和復(fù)雜度進(jìn)一步提高。

針對(duì)以上難題，清華大學(xué)精密儀器系楊原牧副教授研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面編碼的計(jì)算多維光場(chǎng)感知技術(shù)。該技術(shù)原理如圖1b所示，系統(tǒng)利用集成液晶的硅基超構(gòu)表面，將入射光的偏振和光譜信息進(jìn)行編碼，隨后根據(jù)單像素光電探測(cè)器采集到的反射光強(qiáng)隨液晶電壓的變化關(guān)系，通過(guò)重建算法對(duì)多維光場(chǎng)信息進(jìn)行解碼，可以同時(shí)恢復(fù)重建入射光的全斯托克斯偏振信息和光譜信息。該成果近日以“Computational spectropolarimetry with a tunable liquid crystal metasurface”為題發(fā)表于卓越計(jì)劃高起點(diǎn)新刊eLight。

圖2：（a）集成液晶超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)示意圖；（b）x方向偏振光入射時(shí)超構(gòu)表面的反射譜

該探測(cè)系統(tǒng)中，超構(gòu)表面由周期性一維亞波長(zhǎng)硅基光柵和液晶構(gòu)成，如圖2a所示。通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，這一超構(gòu)表面可以支持多個(gè)各向異性的高品質(zhì)因子導(dǎo)波模諧振。當(dāng)對(duì)液晶上下基板施加不同大小的交流電壓時(shí)，超構(gòu)表面反射率會(huì)隨液晶轉(zhuǎn)角變化而發(fā)生變化，如圖2b所示。通過(guò)構(gòu)造隨入射光偏振和電壓變化劇烈變化的反射率譜線(xiàn)，可以使得系統(tǒng)偏振光譜測(cè)量矩陣具有弱相關(guān)性，從而保證偏振光譜信息計(jì)算恢復(fù)的準(zhǔn)確性。

圖3：（a）超構(gòu)表面器件實(shí)物圖；單色光（b）、寬譜光（c）的實(shí)驗(yàn)偏振光譜恢復(fù)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)上，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)電子束光刻和反應(yīng)離子束刻蝕工藝制備了亞波長(zhǎng)硅基光柵，并利用標(biāo)準(zhǔn)液晶封裝工藝完成了器件封裝，最終樣品如圖3所示。在標(biāo)定完成系統(tǒng)的測(cè)量矩陣后，本文實(shí)現(xiàn)了在近紅外波段分別對(duì)單色光和寬譜光的全斯托克斯偏振信息和光譜信息的恢復(fù)重建。

本工作所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面加工工藝與CMOS工藝和標(biāo)準(zhǔn)液晶封裝工藝完全兼容；系統(tǒng)單次偏振光譜測(cè)量和計(jì)算恢復(fù)所需總時(shí)間不到1秒；通過(guò)將動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面與多像素光電傳感器集成，有望在不犧牲空間分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)偏振光譜成像。利用動(dòng)態(tài)超構(gòu)表面對(duì)多維光場(chǎng)進(jìn)行編碼的方法為發(fā)展下一代小體積、小重量、低功耗的多維光場(chǎng)傳感器開(kāi)拓了新的思路。

本論文的完成單位為清華大學(xué)精密儀器系、精密測(cè)試技術(shù)與儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，第一作者為博士生倪一博，通訊作者為楊原牧副教授。清華大學(xué)精密儀器系孫利群教授、博士生陳辰、聞順、薛鑫源為論文工作作出了重要貢獻(xiàn)。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院的資助。

| 論文信息 |

Ni, Y., Chen, C., Wen, S. et al. Computational spectropolarimetry with a tunable liquid crystal metasurface. eLight 2, 23 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00032-0

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