[發(fā)明專(zhuān)利]斯托克斯偏振測(cè)量裝置、測(cè)量方法及超表面陣列構(gòu)建方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010952893.5
• 申請(qǐng)日: 2020-09-11
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112129410B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭國(guó)興;梁聰玲;李子樂(lè);單欣;李仲陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01J4/00
• 分類(lèi)號(hào): G01J4/00
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 羅敏清

1.一種斯托克斯偏振測(cè)量裝置，其特征在于，包括依次設(shè)置的超表面陣列、線(xiàn)性偏振片以及成像裝置；

其中，所述超表面陣列包括等間隔設(shè)置的多個(gè)納米磚結(jié)構(gòu)單元，所述納米磚結(jié)構(gòu)單元的功能等效為微納四分之一波片，所述納米磚結(jié)構(gòu)單元包括工作面以及設(shè)置在所述工作面上的納米磚；

上述納米磚的納米磚轉(zhuǎn)向角α與納米磚中心點(diǎn)的坐標(biāo)(r,θ)的函數(shù)關(guān)系取：式中，r、θ分別為納米磚中心點(diǎn)的極徑和極角。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斯托克斯偏振測(cè)量裝置，其特征在于，超表面陣列上的多個(gè)納米磚結(jié)構(gòu)單元的尺寸參數(shù)相同但納米磚轉(zhuǎn)向角α不同。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斯托克斯偏振測(cè)量裝置，其特征在于，所述線(xiàn)性偏振片的角度為0°。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的斯托克斯偏振測(cè)量裝置，其特征在于，所述納米磚結(jié)構(gòu)單元的工作面采用二氧化硅制成，所述納米磚采用硅材料制成。

5.一種根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的斯托克斯偏振測(cè)量裝置中的超表面陣列的構(gòu)建方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)在工作波長(zhǎng)下優(yōu)化得到功能等效為微納四分之一波片的納米磚結(jié)構(gòu)單元的尺寸參數(shù)；

2)以超表面陣列中心點(diǎn)為原點(diǎn)、平行超表面陣列底面所在平面建立xOy坐標(biāo)系，納米磚結(jié)構(gòu)單元的工作面的兩條邊的方向分別平行于x軸和y軸，納米磚結(jié)構(gòu)單元的納米磚轉(zhuǎn)向角α為其納米磚的長(zhǎng)軸L與x軸的夾角，納米磚中心點(diǎn)的位置極坐標(biāo)表示為(r,θ)，其中，r、θ分別為納米磚中心點(diǎn)的極徑和極角；每個(gè)納米磚結(jié)構(gòu)單元的納米磚轉(zhuǎn)向角α由納米磚中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)(r,θ)確定，納米磚轉(zhuǎn)向角α與納米磚中心點(diǎn)的坐標(biāo)(r，θ)滿(mǎn)足的函數(shù)關(guān)系為：α＝f(r，θ)，其中f(r，θ)滿(mǎn)足根據(jù)超表面陣列上的各納米磚結(jié)構(gòu)單元的納米磚中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)(r，θ)以及上述納米磚轉(zhuǎn)向角α函數(shù)關(guān)系計(jì)算確定出超表面陣列上各位置處的納米磚結(jié)構(gòu)單元的納米磚轉(zhuǎn)向角α值；

3)將步驟1)中優(yōu)化得到的尺寸參數(shù)的納米磚結(jié)構(gòu)單元按照步驟2)中計(jì)算得到的各位置處的納米磚結(jié)構(gòu)單元的納米磚轉(zhuǎn)向角α值進(jìn)行排布即得到所需的超表面陣列。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的斯托克斯偏振測(cè)量裝置中的超表面陣列的構(gòu)建方法，其特征在于，所述超表面陣列的工作波長(zhǎng)為632.8nm，所述納米磚的長(zhǎng)軸L、短軸W和高H以及所述工作面邊長(zhǎng)C的尺寸分別為L(zhǎng)＝210nm，W＝50nm，H＝165nm，C＝300nm。

7.一種根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的斯托克斯偏振測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，包括：將偏振待測(cè)光波依次入射超表面陣列、線(xiàn)性偏振片，再由成像裝置記錄出射光波的空間光強(qiáng)分布，根據(jù)出射光波的空間光強(qiáng)分布，由最小二乘法計(jì)算偏振待測(cè)光波的斯托克斯矢量。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的斯托克斯偏振測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，在所述納米磚結(jié)構(gòu)單元功能等效為微納四分之一波片時(shí)，斯托克斯矢量為S＝[S₀ S₁ S₂ S₃]^T的偏振待測(cè)光波依次經(jīng)過(guò)納米磚轉(zhuǎn)向角為α的納米磚結(jié)構(gòu)單元、角度為0°的線(xiàn)性偏振片后，出射光強(qiáng)I_out(α)與其斯托克斯矢量S和納米磚轉(zhuǎn)向角α之間關(guān)系為：式中S₀表示總光強(qiáng)斯托克斯參數(shù)，S₁表示水平方向光強(qiáng)斯托克斯參數(shù)，S₂表示對(duì)角方向斯托克斯參數(shù)，S₃表示豎直方向斯托克斯參數(shù)。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的斯托克斯偏振測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征在于，通過(guò)成像裝置記錄從線(xiàn)性偏振片出射的光強(qiáng)分布I，記錄得到的光強(qiáng)分布I正比于從線(xiàn)性偏振片出射的光強(qiáng)I_out，即I∝I_out；根據(jù)納米磚轉(zhuǎn)向角α與納米磚中心點(diǎn)的位置坐標(biāo)(r，θ)間的函數(shù)關(guān)系α＝f(r，θ)、上述的出射光強(qiáng)I_out(α)與S和α之間的函數(shù)關(guān)系得到成像裝置記錄的光強(qiáng)分布I與像素點(diǎn)的極角θ的函數(shù)關(guān)系，設(shè)定成像裝置記錄的光強(qiáng)分布的有效像素點(diǎn)數(shù)為m，則成像裝置記錄得到的光強(qiáng)分布I與待測(cè)斯托克斯矢量S之間的矩陣方程為：

BS＝I；

式中，θ_i為成像裝置記錄的第i個(gè)像素點(diǎn)的極角(1≤i≤m)，I_i為第i個(gè)像素點(diǎn)的光強(qiáng)，B為m×4的系數(shù)矩陣，S為待測(cè)斯托克斯矢量，其為4×1的矩陣，I為成像裝置記錄得到的光強(qiáng)分布，其為m×1的矩陣；

該矩陣方程為超定方程，用最小二乘法得到偏振待測(cè)光波的斯托克斯矢量為：