光束由具有一定幅度、相位和频率的振荡电磁波组成。在与波传播方向垂直的横截面，偏振态（SOP）特性决定了电场是怎么振荡的。光与物质的相互作用与其偏振态有很大关系，所以对偏振态的完整测量在化学、成像、光通信和天文学等方面有着极其重要的作用。然而测量一束光的偏振态比测量其强度和频率要困难的多，因为这涉及到同时测量四个斯托克斯参数，这也是计算偏振度要用的参数。

几十年来，偏振计的结构中都含有线性延迟器，偏振器，1/4波片，这些元件可以在空间或者时间上把入射光束分来测量来同时测量四个参量。这样的宏观偏振计机构复杂，体积大且贵重。人们为了使其小型化做了很多的尝试，最著名的例子就是用于光纤光学的光纤折射率偏振计。最近在纳米科学和纳米技术上的进展给人们提供了继续缩小其体积的新方法，随着而来的技术发展可能带来小型化的片上集成偏振计。

图1 具有波长λ，电场E，波矢k的光的横截面来说明一系列的纳米结构。在任何情况下都要测量至少四个输出才能恢复光的偏振态。电介质和金属纳米结构分别用蓝色和黄色表示。从左到右分别是散射输出、吸收输出和波导传输。其中有一系列纳米天线的组成的超表面把不同的偏振态散射到预设好的不同的空间路径上去。等离子体纳米天线可以被设计安装成特性的形状来吸收特定方向上的光。自旋轨道相互作用可以把不同的输入偏振态散射到波导上不同的方向和模式。

因为纳米结构的光响应依赖于入射光的偏振态，因此从输出信号中恢复其偏振态在理论上是可行的。可能的偏振包括水平、垂直、左旋和右旋圆偏振光。有纳米阵列构成的超表面可以设计成把这些不同的偏振态散射到不同的方向，这样就可以恢复特定波长下的偏振态。散射路径甚至可以设计成与超表面平行，把散射光引导到片基设备上，以促进片上处理和探测。

然而，光与物质的相互作用可以实现偏振相关的响应，这些响应在纳米阵列的每个组件都可以实现，所以器件的封装尺寸比波长的平方大得多。局部纳米尺度的偏振态测量需要每个金属的或电介质的光子响应。例如等离子纳米结构可以根据不同的照射偏振态做成特定的平面形状以产生光热点。吸收半导体分布在光热点上产生与偏振态成比例的输出电流。尽管设备管脚比超表面偏振计要小的多，这种方法仍然需要至少四个纳米结构来完整的恢复其偏振态。因此这种偏振计对横截面上是单偏振的光束是很有效的，但是对复杂的横截面上含有各种偏振分量的结构光束是无效的。

单个空间点单个入射脉冲的偏振态可以混合使用之前介绍的两种方法测量，即通过测量单个纳米结构的偏振相关散射。自旋轨道相互作用的结果是散射路径的方向依赖于入射光的偏振态。而且散射路径可以通过在铌酸锂晶体上刻蚀来确定，还可以刻蚀不同的波导模式来携带更多恢复偏振态所需的信息。原则上，只要散射体能散射入射光，可以无限制的缩小其体积。显然，自旋相互作用超越对入射光横截面尺度上的刻画，提供了全向量的表征方式。

通过对潜在纳米结构合适的材料、形状以及尺度上的设计，前面的方法可以构建出一个超紧凑的横穿电磁波谱范围甚至到达太赫兹区域的偏振计。这种偏振计带宽极宽，通过调整偏振散射路径和每个波长上的吸收区，它们可以用来制造光谱偏振仪。尤其重要的是可以通过谐振电介质纳米结构来实现这种方法，这样的话就可以避免金属内部的欧姆损耗而且有利于在硅基片上进行大规模制造。尽管吸收的方式极其适合制造偏振态测量的设备，但是其需要阻断光的传播，基于散射的非破坏性低损耗方法适合在线配置。

片上偏振计因其内在的适宜集成的天然优势，例如成本低，可靠，可重复性好，很容易替代体型具大的自由空间设备。几个基于片上偏振计的应用已经可以马上实施。低成本低损耗的在线偏振计现在可以应用使用偏振复用方案的通信上，实时监测通信波长的偏振态。近原子尺度的自旋轨道偏振计在量子系统和网络中局部测试单光子的偏振态。现在纳米尺度的片上偏振计的基本障碍已经扫清，是时候把它应用在现实生活中去了。相关报道以《Polarimetry enabled by nanophotonics — Nanoantenna and plasmonic structures can be used to measure light polarization》为题，发表在《Science》杂志上。

来源：Science

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