冯超 1,2,3何涛 1,2,3,*施宇智 1,2,3王占山 1,2,3程鑫彬 1,2,3
1 同济大学物理科学与工程学院精密光学工程技术研究所，上海 200092
2 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
偏振作为光场的基本自由度，在众多光学技术领域中有着十分广泛的应用。光学器件的偏振操控性能常用琼斯矩阵来表示，琼斯矩阵中可控通道数目的多少表征了对应光学器件的偏振调控能力强弱。随着光学技术的蓬勃发展，诸如偏振成像、通信编码、光学加密等前沿应用迫切需要光学器件能够独立调控多个琼斯矩阵通道，同时兼顾小型化。超表面作为由人工亚波长微结构按照特定序列排列而成的平面光学器件，天然具备集成化的优势，且对电磁波具有强大的调控能力，有望在偏振光学器件领域发挥巨大作用。从超表面的相位、振幅调控机理出发，按照可调控的通道数目从少到多对超表面调控琼斯矩阵的发展进行了系统梳理，并对超表面琼斯矩阵调控技术的未来发展进行了展望。
超表面 琼斯矩阵 偏振调控 多功能集成 激光与光电子学进展
2024, 61(1): 0123001
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
3 电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 610054
缺陷检测是基于金属膜层激发表面等离子体进行超衍射加工前的重要工艺流程，但目前先进空白晶圆缺陷检测设备光源多位于深紫外波段，恰好在KrF等深紫外光刻胶的感光范围内，检测带有该光刻胶的晶圆表面时易导致光刻胶感光而改性失效。针对此问题，笔者提出并设计了一种基于可见光波段的激光偏振暗场检测装置。该装置利用晶圆表面顶层银膜的偏振转换特性，通过调控入射光的偏振态与入射角，使微粗糙银膜表面的弱散射光偏振态与膜层表面颗粒的散射光偏振态产生差异，然后利用偏振器件对来自银膜表面的散射光进行部分滤除，有效提高了颗粒信号的信噪比。实验结果表明：所设计的装置在不影响光刻胶的同时还可以减少金属膜层表面散射所带来的缺陷误检。在对百纳米级颗粒进行检测时，由于使用了激光照明及高灵敏度的sCMOS作为探测器件，本装置单次曝光时间仅为150 μs，是奥林巴斯公司基于白光的DSX1000暗场显微镜的4‰左右。通过抑制噪声，笔者采用该装置实测了均方根（RMS）粗糙度为3.4 nm的银膜表面上直径为61 nm的聚苯乙烯乳胶颗粒，结果显示，该装置在探测极限和探测效率上较DSX1000均有较大提升。
测量 光学检测 散射测量 表面粗糙度 偏振调控 纳米颗粒 信噪比 中国激光
2023, 50(22): 2204003
暨南大学光子技术研究院广东省光纤与通信技术重点实验室，广东 广州 511443
超表面在光偏振调控方面具有卓越的能力，利用超表面结构的偏振控制实现信息编码与加密成为一种新兴的光学编码技术。本文旨在介绍超表面偏振光学及其在信息加密领域的最新进展。首先介绍对光束偏振态进行整体调控的各类超表面偏振光学元件，包括超表面波片、偏振器和偏振分束器，强调了超表面在偏振操控方面的卓越性能；接着深入介绍基于不同微型超表面偏振光学元件进行的像素化偏振信息编码，包括对近场偏振态空间分布进行逐点编码的马吕斯超表面，以及对远场偏振态进行空间编码的偏振全息和矢量全息超表面；然后阐述近场与远场像素化偏振空间编码超表面在信息隐藏与加密领域的应用示范；最后进行简要总结，并展望超表面偏振信息编码技术的未来发展趋势与应用潜力。
表面光学 偏振调控 超表面偏振光学元件 马吕斯超表面 矢量全息 信息加密 中国激光
2023, 50(18): 1813010
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 国科大杭州高等研究院，物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
太赫兹量子级联激光器作为目前产生太赫兹激光的最有效手段之一，如何提升其性能表现一直是科学界所关注的重点。本篇综述将从光电调控的角度，阐述目前太赫兹量子级联激光器的性能进展。从激光器有源区设计原理开始，介绍几种新的有源区设计，再从谐振腔的角度介绍一系列新的结构，并展示他们对于功率和光束质量的提升。最后，阐述了太赫兹量子级联激光器在偏振调控和频率调谐的最新进展。
太赫兹 量子级联激光器 激光功率 光束质量 偏振调控 频率调谐 Terahertz quantum cascade lasers laser power beam quality polarization control tuning
2Institute of Photonics Technology, Jinan University, Guangzhou, Guangdong 511443, China
基于平板波导近似模型构建了光纤基底圆环薄膜波导的模式方程,得到离散分布的薄膜波导模式,进一步结合全矢量模式理论,获得了光纤模式转换的新理解。按照从高阶至低阶(而不是广泛认知的从低阶至高阶)的模式顺序,具有一定厚度的圆环薄膜波导引起光纤包层模转变为相位匹配的薄膜包层模,继续增大圆环薄膜波导厚度,会破坏相位匹配条件而使该薄膜包层模再次转变为相邻的低阶光纤包层模,并依此形成周期的模式转换过程。最后,通过氧化铟锡镀膜倾斜布拉格光纤光栅的光谱变化验证上述机理,分析发现了正交偏振薄膜波导模(P和S偏振态)的同周期但非同步的激发过程及其对光纤偏振的周期调控规律,理论分析与前期实验结果一致。研究结果为光纤矢量参数传感(振动、扭转、压力、声场等)、光纤生物传感(体折射率与面折射率区分测量)及光通信偏振滤波等研究提供新思路。
光学学报
2021, 41(13): 1306018
中国科学院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室， 上海 200083
超构透镜是由亚波长散射单元结构排列而成的具有聚焦功能的平面二维超构表面。超构表面能够在亚波长尺度上操控光场的振幅、相位、色散和偏振态，是近年来迅速发展起来的新型光场调控载体。亚波长共振纳米结构使得高阶衍射被抑制，入射光场可以完美地被调制到设计的衍射级次上，从而确保了超构表面器件具有高的光子调控效率。同时，超构单元在设计上的灵活性及其特定的电磁响应使得超构表面可以实现对光场多个维度的定制化操控。不同于传统光学透镜依赖光传播的相位累积效应，宽带消色差超构透镜通过对光场相位和相位色散的同时独立调控解决了传统通过级联多个透镜修正色差造成的光学系统复杂和体积庞大限制，为发展小型化片上集成光学提供了全新的思路。文中围绕超构透镜的相关研究，首先介绍了超构表面调控光场振幅、相位和偏振态的基本原理，在此基础上，重点回顾了近年来关于超透镜的研究发展，包括通过单一参量调控的单波长超透镜的实现，以及通过对光场偏振、相位及相位色散的多参量联合调控的多功能宽带消色差超构透镜的发展现状，最后讨论其进一步发展的可能挑战与应用前景。
超构透镜 相位色散 消色差成像 偏振调控 metalens phase dispersion achromatic imaging polarization control 红外与激光工程
2021, 50(1): 20211003
长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
基于S波片和双延迟器的偏振特性, 提出了一种矢量光场的生成及偏振调控方法, 该方法能够将标量高斯光束转换为偏振态分布可调谐的矢量光束。结合Stokes-Mueller矩阵算法, 建立了矢量光场偏振调控的数学模型, 并仿真计算出标量高斯光束经过S波片和双延迟器(包括双1/4波片和双1/2波片两种情况)后的偏振态空间分布。讨论了双延迟器相对旋转时光场偏振分布的演化规律及机理, 实验结果与数值仿真结果相互吻合, 表明该方法可以实现对标量相干光场的复杂偏振调控, 验证了理论分析的正确性和该方法的可行性。
偏振 矢量光场 偏振调控 Stokes-Mueller矩阵 波片 polarization vector light field polarization control Stokes-Mueller matrix wave plate 红外与激光工程
2018, 47(12): 1207001
长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
针对双波片偏振调控结构, 基于Stokes-Mueller矩阵偏振算法, 对双1/4波片和双1/2波片的偏振调控机理作了详尽的理论分析, 得出调控偏振态与双波片快轴方向之间的关系, 并追迹其在庞加莱球上的运动轨迹.基于双波片调控结构搭建偏振测量系统, 根据入射和出射Stokes矢量构建了投影关系矩阵算法, 完成了待测元件Mueller矩阵的测量, 并分析了波片的快轴方向误差和位相延迟误差对Mueller矩阵测量结果以及对出射偏振态调控精度的影响.分析结果表明: 波片的快轴方向误差控制在±2°内, 位相延迟误差不大于λ/300时, Mueller矩阵的最大测量误差为0.040 2, 波片自身误差对测量结果的影响可以忽略不计; 波片自身误差所引起的方位角误差不大于0.16 rad时, 快轴方向误差引起的椭率角误差最大不超过0.032 rad, 位相延迟误差导致的椭率角误差小于0.015 rad, 且对偏振度无影响.
双波片 Stokes-Mueller矩阵 偏振调控 偏振测量 投影关系矩阵 biplate Stokes-Mueller matrix polarization control polarization measurement projection matrix
针对光学系统中可见/红外宽光谱分色片的偏振特性, 采用诱导透射法设计了满足偏振遥感光学系统能量要求的可见/红外宽光谱分色片, 并对其偏振特性进行了分析. 通过计算获得了透射带400~900 nm可见/红外宽光谱分色片的偏振情况, 采用等效层理论在其基底背面设计了偏振调控膜系, 对分色片透射带的偏振度加以调控. 使用needle优化算法, 设定了不同优化目标, 得到了三种不同的设计结果, 在可见光波段的偏振度范围分别为0.013~0.0376、0.068~0.108和0.098~0.147. 设计结果显示分色片透射带偏振特性在一定程度上可调, 调控后可以满足系统对透射光在不同偏振度下的要求.
薄膜 可见/红外宽光谱分色片 对称等效层 偏振调控 Thin film Visible infrared broadband dichroic beamsplitter Symmetrical equivalent layers Polarization control
