本文由論文作者團(tuán)隊(duì)撰稿

近日，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院李濤、祝世寧課題組通過平面手性超構(gòu)表面和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高空間分辨率的偏振分析器件。

該工作充分利用了超構(gòu)表面在相位和偏振調(diào)控的強(qiáng)大能力，構(gòu)建了基于同偏振和正交偏振的三獨(dú)立相位編碼通道，讓三個(gè)通道的光場(chǎng)進(jìn)行線聚焦形成交叉三角形，然后根據(jù)三條邊和交叉點(diǎn)的光強(qiáng)可以一次性獲得不同偏振態(tài)光場(chǎng)的振幅和相位信息，從而實(shí)現(xiàn)非交錯(cuò)像素的偏振檢測(cè)。同時(shí)，研究人員還引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升偏振解算過程中的精確度和魯棒性。最終實(shí)現(xiàn)了高度集成的高分辨率偏振檢測(cè)與分析。

該文章以“Neural network assisted high-spatial-resolution polarimetry with non-interleaved chiral metasurfaces”為題發(fā)表在Light: Science & Applications。

該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的大力支持。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院助理研究員陳晨博士和博士生肖行健為該論文的共同第一作者，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用學(xué)院李濤教授為論文通訊作者，該工作得到祝世寧院士的悉心指導(dǎo)。

對(duì)偏振信息的解算在從遙感、大氣到生物、顯微等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的偏振測(cè)量往往需要一系列分束鏡和偏振原件等，系統(tǒng)因此體積較大，較為復(fù)雜。

超構(gòu)表面作為一種靈活調(diào)控的平面衍射器件，為集成化的偏振分析儀提供了可能。

超構(gòu)光學(xué)行業(yè)創(chuàng)業(yè)公司Metalenz也基于超構(gòu)光學(xué)技術(shù)推出了用于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的Polar ID，通過捕捉人臉獨(dú)特的偏振特征，來(lái)實(shí)現(xiàn)高安全性的人臉解鎖功能。

目前基于超構(gòu)光學(xué)技術(shù)的偏振分析儀主要有兩類，一類是超構(gòu)透鏡型，通過對(duì)不同偏振基矢的獨(dú)立分光聚焦強(qiáng)度來(lái)分別計(jì)算斯托克斯參量，因此受限于橫向分辨尺寸；另一類是超構(gòu)光柵型，基于矩陣傅里葉光學(xué)對(duì)不同偏振進(jìn)行衍射階次的分光，但通常要再結(jié)合透鏡聚焦使其縱向尺寸受限。而隨著現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展，對(duì)偏振分析儀的集成性和空間分辨率提出了更高的要求。

圖1：三通道偏振復(fù)用手性超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)偏振測(cè)量的原理示意圖。

三通道手性超構(gòu)表面直接實(shí)現(xiàn)偏振測(cè)量。不同于其他工作基于不同超構(gòu)表面測(cè)量不同偏振的強(qiáng)度來(lái)解算斯托克斯參量，研究人員提出通過單超構(gòu)表面直接測(cè)量強(qiáng)度和相位來(lái)解算偏振信息。研究人員在原先手性超構(gòu)表面的基礎(chǔ)上(Nano Lett. 21,1815 (2021), Optica, 9, 1314 (2022))進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一種三個(gè)偏振通道復(fù)用的手性超構(gòu)表面，可獨(dú)立調(diào)控兩個(gè)正交圓偏振通道（R-L & L-R）和一個(gè)同偏振通道（R-R/L-L）。如圖1所示，三個(gè)偏振通道分別形成三條聚焦線，通過聚焦線的強(qiáng)度可計(jì)算圓偏振基矢的強(qiáng)度對(duì)比，通過考察交點(diǎn)的強(qiáng)度則可推算出圓偏振基矢之間的相位差，從而解算偏振信息。其中手性超構(gòu)表面的三通道偏振復(fù)用能力為實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的偏振測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

圖2：用于偏振分析的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。(a)數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的輸入圖片。 (b) 輸出為對(duì)應(yīng)的斯托克斯參量。 (c) 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。(d) 基于訓(xùn)練周期的損失函數(shù)。針對(duì)(e) 20微米和 (f) 10微米空間分辨率的測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布和累積概率分布。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助提高測(cè)量精度、速度和魯棒性。為提升偏振測(cè)量的精度和魯棒性，研究人員提出了一種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2所示，輸入為基于模擬和實(shí)驗(yàn)焦面分布的數(shù)據(jù)增強(qiáng)，包含了噪聲、圖片拉伸旋轉(zhuǎn)等操作，可顯著提升實(shí)際應(yīng)用中的魯棒性。經(jīng)過6層連續(xù)的卷積層，輸入圖片中隱藏的特征可被提取出來(lái)，再經(jīng)過連接層轉(zhuǎn)化為輸出的斯托克斯參量。對(duì)于不同的偏振態(tài)，基于直徑20微米的超構(gòu)表面，也就是空間分辨率達(dá)20微米，其經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后偏振測(cè)量得到的斯托克斯參量的平均偏差為0.06，具有較高的保真度，解算時(shí)間也大為提高，少于0.05s。偏振測(cè)量的空間分辨率可進(jìn)一步提升至10微米，解算的斯托克斯參量平均誤差為0.108。

圖3. 空間非均勻偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。(a)空間非均勻偏振光束的強(qiáng)度分布。 (b) (c)在不同圓偏振檢偏下的焦面強(qiáng)度分布。(d)-(f) 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推算的斯托克斯參量分布，虛線為設(shè)計(jì)值。(g) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推算的偏振態(tài)分布示意圖。 (h) 設(shè)計(jì)的偏振態(tài)分布示意圖。

基于以上設(shè)計(jì)，研究人員利用超構(gòu)表面陣列分別展示了針對(duì)空間均勻和非均勻的偏振態(tài)測(cè)量。以空間非均勻的偏振測(cè)量為例，研究人員基于幾何相位的超構(gòu)表面制備了空間快速變化的矢量偏振光（如圖3所示），并基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輔助的手性超構(gòu)表面陣列對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，可準(zhǔn)確得還原其空間不同位置的偏振態(tài)分布。圖3(g) 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解算結(jié)果，3(h)為實(shí)際設(shè)計(jì)的偏振分布。研究人員進(jìn)一步展示了該方案在實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，以外形相似的太陽(yáng)鏡和3D眼鏡的區(qū)分為例（見圖4），通過采集到的不同的焦面分布，可直接區(qū)分其功能屬性。

圖4：外形相似的太陽(yáng)鏡和3D眼鏡的區(qū)分。

總結(jié)與展望

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種三偏振通道獨(dú)立調(diào)制的手性超構(gòu)表面，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)圓偏振基矢的強(qiáng)度和相位測(cè)量，顯著提升了偏振測(cè)量器件的集成性和空間分辨率。通過引入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)一步提升偏振解算過程中的精確度和魯棒性。該方案展示了手性超構(gòu)表面強(qiáng)大的偏振相位調(diào)制能力，及其在高精度偏振測(cè)量等方面的應(yīng)用潛力。

論文信息

Chen, C., Xiao, X., Ye, X. et al. Neural network assisted high-spatial-resolution polarimetry with non-interleaved chiral metasurfaces. Light Sci Appl 12, 288 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01337-6

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