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(shí)時(shí)測(cè)量在光學(xué)中是非常重要的。然而，目前大多數(shù)光電探測(cè)器僅對(duì)光強(qiáng)敏感，這使得傳統(tǒng)的偏振和相位檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜、笨重且難以集成。超表面是具有亞波長(zhǎng)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(lái)開(kāi)發(fā)緊湊型光學(xué)器件來(lái)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(jiàn)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(diǎn)之一，與傳統(tǒng)的透鏡相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)球面像差等優(yōu)點(diǎn)。介質(zhì)平面超透鏡的制造簡(jiǎn)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(bǔ)充，有利于實(shí)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(cè)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(zhǎng)1550 nm。該系統(tǒng)不僅可以通過(guò)對(duì)焦點(diǎn)振幅的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的測(cè)量光束的空間偏振，而且還可以通過(guò)對(duì)焦點(diǎn)位移的分析來(lái)測(cè)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(cè)系統(tǒng)的示意圖

該光學(xué)多參量探測(cè)系統(tǒng)由全介質(zhì)超透鏡陣列和相機(jī)組成，超透鏡陣列包含多個(gè)像素，每個(gè)像素包含四個(gè)不同的超透鏡，可以從入射光束中分離出四個(gè)不同偏振分量并匯聚到相機(jī)上。根據(jù)每個(gè)焦點(diǎn)的位置和強(qiáng)度信息，可以得到光束的相位和偏振態(tài)。通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化每個(gè)超透鏡的晶格單元，可以獲得48%的平均聚焦效率。在實(shí)驗(yàn)中，作者首先用一個(gè)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(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均相對(duì)誤差僅為4.24%。然后檢測(cè)了兩個(gè)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(cè)與重建

圖3.渦旋光束的相位探測(cè)與重建

該光學(xué)多參量探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、小型化，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)入射光束的偏振態(tài)和波前分布實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)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(zhǎng)，在光學(xué)探測(cè)、成像、傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力和價(jià)值。

武漢光電國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目支持。