光場攜帶了振幅、相位、偏振、光譜等多個維度的信息。對于光電傳感器，除去光強，對目標場景額外維度光場信息的感知也具有重要意義。例如，對光場偏振信息的探測可以實現(xiàn)圖像增強、“穿云去霧”等特殊功能，可被用于工業(yè)檢測、遙感等場合。光譜會攜帶物質的“指紋”信息，對光譜的精細探測正在天文探測、消費電子等應用領域扮演日漸重要的角色。

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

然而，傳統(tǒng)偏振測量儀和光譜儀需要借助額外的空間分光元件或機械掃描部件，導致系統(tǒng)體積龐大、結構復雜等問題。更進一步地，若想實現(xiàn)針對多維光場的同時探測，一般需要利用不同偏振探測和光譜探測手段的級聯(lián)（如圖1a所示），這會使得系統(tǒng)體積和復雜度進一步提高。

針對以上難題，清華大學精密儀器系楊原牧副教授研究團隊提出了一種基于動態(tài)超構表面編碼的計算多維光場感知技術。該技術原理如圖1b所示，系統(tǒng)利用集成液晶的硅基超構表面，將入射光的偏振和光譜信息進行編碼，隨后根據(jù)單像素光電探測器采集到的反射光強隨液晶電壓的變化關系，通過重建算法對多維光場信息進行解碼，可以同時恢復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)表于卓越計劃高起點新刊eLight。

圖2：（a）集成液晶超構表面結構示意圖；（b）x方向偏振光入射時超構表面的反射譜

該探測系統(tǒng)中，超構表面由周期性一維亞波長硅基光柵和液晶構成，如圖2a所示。通過設計優(yōu)化，這一超構表面可以支持多個各向異性的高品質因子導波模諧振。當對液晶上下基板施加不同大小的交流電壓時，超構表面反射率會隨液晶轉角變化而發(fā)生變化，如圖2b所示。通過構造隨入射光偏振和電壓變化劇烈變化的反射率譜線，可以使得系統(tǒng)偏振光譜測量矩陣具有弱相關性，從而保證偏振光譜信息計算恢復的準確性。

圖3：（a）超構表面器件實物圖；單色光（b）、寬譜光（c）的實驗偏振光譜恢復結果

實驗上，研究團隊通過電子束光刻和反應離子束刻蝕工藝制備了亞波長硅基光柵，并利用標準液晶封裝工藝完成了器件封裝，最終樣品如圖3所示。在標定完成系統(tǒng)的測量矩陣后，本文實現(xiàn)了在近紅外波段分別對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重建。

本工作所設計的動態(tài)超構表面加工工藝與CMOS工藝和標準液晶封裝工藝完全兼容；系統(tǒng)單次偏振光譜測量和計算恢復所需總時間不到1秒；通過將動態(tài)超構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現(xiàn)偏振光譜成像。利用動態(tài)超構表面對多維光場進行編碼的方法為發(fā)展下一代小體積、小重量、低功耗的多維光場傳感器開拓了新的思路。

本論文的完成單位為清華大學精密儀器系、精密測試技術與儀器國家重點實驗室，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。本研究得到了國家自然科學基金和清華大學國強研究院的資助。

| 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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