偏振、相位、振幅和頻率是描述光波的基本參數(shù)，光的偏振和相位信息的實時測量在光學(xué)中是非常重要的。然而，目前大多數(shù)光電探測器僅對光強敏感，這使得傳統(tǒng)的偏振和相位檢測系統(tǒng)復(fù)雜、笨重且難以集成。超表面是具有亞波長特征的超薄二維超材料，可以靈活地操控光的振幅、相位和偏振態(tài)，因此可以用來開發(fā)緊湊型光學(xué)器件來取代傳統(tǒng)的光學(xué)元件，從而產(chǎn)生高度集成且極其緊湊的光學(xué)系統(tǒng)。與等離子體超表面相比，介質(zhì)超表面的透射損耗更小，更適合于可見光和近紅外波段。超透鏡作為基于超表面的光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一，與傳統(tǒng)的透鏡相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無球面像差等優(yōu)點。介質(zhì)平面超透鏡的制造簡單，易于集成，可以作為傳統(tǒng)折射透鏡和衍射透鏡的替代或補充，有利于實現(xiàn)高性能光學(xué)設(shè)備和系統(tǒng)的進(jìn)一步小型化。

近期，華中科技大學(xué)夏金松教授和楊振宇教授課題組在期刊Photonics Research，2020年第8卷第4期中介紹了一種高效、緊湊的光學(xué)多參量探測系統(tǒng)（圖1），并入選Editors’ Pick，該系統(tǒng)基于具有2 × 2子陣列超透鏡的Hartmann-Shack陣列，工作波長1550 nm。該系統(tǒng)不僅可以通過對焦點振幅的檢測來實現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的測量光束的空間偏振，而且還可以通過對焦點位移的分析來測量光束的相位梯度和相位分布。論文鏈接為：http://www.osapublishing.org/PRJ/abstract.cfm?uri=PRJ-8-4-482。

圖1.高效緊湊的光學(xué)多參量探測系統(tǒng)的示意圖

該光學(xué)多參量探測系統(tǒng)由全介質(zhì)超透鏡陣列和相機組成，超透鏡陣列包含多個像素，每個像素包含四個不同的超透鏡，可以從入射光束中分離出四個不同偏振分量并匯聚到相機上。根據(jù)每個焦點的位置和強度信息，可以得到光束的相位和偏振態(tài)。通過設(shè)計和優(yōu)化每個超透鏡的晶格單元，可以獲得48%的平均聚焦效率。在實驗中，作者首先用一個像素精確地描述了22種不同入射偏振光的偏振態(tài)，理論計算結(jié)果與實驗結(jié)果的平均相對誤差僅為4.24%。然后檢測了兩個具有非恒定偏振態(tài)的光束（徑向偏振光束和方位角偏振光束，圖2）和具有螺旋波前的20階渦旋光束（圖3），證明其同樣適用于具有復(fù)雜偏振態(tài)和波前的光束。

圖2.兩種矢量光束的偏振態(tài)探測與重建

圖3.渦旋光束的相位探測與重建

該光學(xué)多參量探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、小型化，能夠?qū)崿F(xiàn)對入射光束的偏振態(tài)和波前分布實時檢測，同時通過用另一種介質(zhì)代替硅，工作原理可以轉(zhuǎn)移到其他工作波長，在光學(xué)探測、成像、傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力和價值。

武漢光電國家研究中心的博士生王玉西和光學(xué)與電子信息學(xué)院的博士生汪肇坤為該論文的共同第一作者，該研究得到了區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室、國家自然科學(xué)基金委等項目支持。