Advanced Photonics Nexus 2023年第2期文章：
Shaun Lung, Jihua Zhang, Kai Wang, Andrey A. Sukhorukov. Real-time monitoring of polarization state deviations with dielectric metasurfaces[J]. Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(2): 026003
偏振作为光的基本属性可以携带信息，因而常被用作测量工具和信息载体。为了提取偏振光中携带的信息，科学家们需要探测光与介质相互作用后的偏振态。
然而，完整地测量光的偏振态是非常复杂的过程，需要把偏振态分解到各个基态上单独测量，整个过程要用到多个可重构的光学元件，比如玻片和偏振片，并且要对测量结果进行计算处理。不过，复杂的完整偏振测量并不总是必要的，许多偏振应用仅需要知道偏振在某些已知态附近的变化。尽管只是部分参量的测量，但是检测微小的偏振变化仍然不简单，尤其是检测椭圆偏振态或圆偏振态附近的变化时。图1 超表面偏振传感示意图：已知的锚定偏振被转换为垂直线偏振且存在功率衰减，而锚定偏振态附近的任何扰动则全部被转换为水平线偏振，使输入偏振变化的实时监测成为可能
该方法的关键点是先定义一个已知的锚定偏振态，锚定偏振态的任意微小偏振扰动或变化由其正交偏振态表示，再根据检测到的正交偏振态进而确定微小扰动的强度。研究人员精心设计了对输入光的偏振转换，使得锚定偏振态转换到垂直线偏振态，所有的扰动都映射到水平线偏振态，从而使锚定偏振附近的待测扰动转移成为垂直线偏振附近的扰动，后者的强度可以从输出光通过一个偏振分束器后测量两个线偏振的功率比得到。更重要的是，通过精心设计偏振转换矩阵，锚定偏振光部分透射而其正交偏振接近全透射，输出的偏振扰动可以被放大超过一个数量级，提高对输入微小偏振扰动的测量灵敏度。研究人员利用超薄的超表面实现了这一概念和所需的偏振转换功能。图2 利用超表面测量任意偏振变化的概念和实施。(a，b，c)庞加莱球上任意选取的椭圆偏振态（红×）和其附近强度到0.01的微小偏振变化（球冠），经过支持偏振转换矩阵T的超表面后，锚定偏振态被转换到垂直线偏振态，而水平线偏振分量则代表了放大后的偏振变化，输出光再经过一个偏振分束器后，测量输出功率比就能实时检测输入的偏振变化。(d)实验制备超表面的扫描电子显微镜图片，黑色虚线框标出了超表面的的单元结构，θ代表了超表面距水平方向的旋转角度。（e）实验测量的输出功率比随输入偏振变化强度的变化，红色实线代表21.8倍的放大
超表面通常由在衬底上的亚波长结构阵列构成，能够捕捉入射光并激发共振，从而实现可高度定制的偏振转换功能，是构建下一代灵活光学元件的理想平台。研究人员开发了一种在玻璃衬底上周期性排列的刻蚀非晶硅二元结构组成的高透射效率的超表面，在实验上验证了在一个高度椭圆偏振态附近微小扰动21.8倍的放大。进一步证实了锚定偏振态可以通过简单旋转超表面来调节，使得单一超表面能适应于不同的锚定偏振态。与之前提出的用于完整偏振态测量的超表面不同的是，该方案中偏振偏差可以通过测量输出功率比直接获得，不需要额外的数据处理。这些特性使得研究人员开发的超表面成为一个简单、快速和精确的实时检测微小偏振变化的设备。该研究中提出的原理有很大的扩展空间，通过合适的设计，不仅可以适应任意的锚定偏振态，还可以扩展到任意的波段范围，比如常用的可见光和通信波段。作者认为这项工将有助于基于超构光学元件的偏振传感器的发展。张吉化，澳大利亚国立大学物理学院和TMOS卓越中心博后研究人员。2016年获得巴黎萨克雷大学和华中科技大学博士双学位，2016年至2020年初在美国罗切斯特大学光学系从事博士后研究，主要从事超表面和集成波导中非线性和量子光场调控等微纳光子学领域的研究，拥有丰富的微纳光子学器件设计和加工经验，发表学术论文40余篇，其中在Science Advances、Light: Science & Applications、Advanced Optical Materials等国际期刊上发表第一或通信作者论文18篇，在国内外学术会议作邀请报告6次。Andrey A. Sukhorukov，澳大利亚国立大学教授，TMOS卓越中心负责人之一，Optica 会士，非线性和量子光子学研究组负责人，长期从事微纳尺度的经典和量子光场调控的理论和实验基础研究，发表学术论文300余篇，谷歌学术总引用11000余次，曾获澳大利亚研究委员会“未来研究员”荣誉， “伊丽莎白二世女王”基金资助和“德国洪堡基金”资助。