[發明專利]斯托克斯偏振測量裝置、測量方法及超表面陣列構建方法

有效

• 申請號: 202010952893.5
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112129410B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 鄭國興;梁聰玲;李子樂;單欣;李仲陽
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01J4/00
• 分類號: G01J4/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 羅敏清

本發明提供一種斯托克斯偏振測量裝置，包括依次設置的超表面陣列、線性偏振片以及成像裝置；其測量方法包括將偏振待測光波依次入射超表面陣列、線性偏振片，再由成像裝置記錄出射光波的空間光強分布，根據出射光波的空間光強分布，由最小二乘法計算偏振待測光波的斯托克斯矢量；超表面陣列構建方法中納米磚結構單元的納米磚轉向角α由納米磚中心點的位置坐標(r,θ)確定，其滿足的函數關系為：α＝f(r,θ)，其中f(r,θ)滿足本發明的測量裝置及測量過程簡單，無運動元件，無需分時重復測量，可實現全斯托克斯矢量的高精度測量。

技術領域

本發明屬于微納光學技術領域，具體涉及一種斯托克斯偏振測量裝置、測量方法及超表面陣列構建方法。

背景技術

頻率、振幅、相位以及偏振都是光波的基本屬性，其中偏振描述了光波電場矢量的振動軌跡。偏振態決定了光波與各向異性、手性和磁性物質之間的相互作用方式，形成了多種光學技術的基礎。不同物體對于光波的吸收和反射，其本身的偏振特性存在一定的差別，根據光波的偏振特性可以獲得不同于光強、頻率等的目標的有用信息，在目標識別、物質分析等領域具有重要的作用。準確測量光波的偏振態對于偏振光譜、傳感、成像、通信和量子信息檢測等領域具有至關重要的應用。

斯托克斯矢量(Stokes矢量)通過引入四個由強度測量確定的量可以描述包括偏振度在內的任意偏振光的狀態，因此測量光波的斯托克斯矢量即可對光波的偏振狀態進行全面精確的描述。在傳統的光波偏振測量中，測量設備體積難以小型化，測量過程繁瑣，因此亟待新的光波偏振測量手段。

超表面材料具有尺寸小、重量輕、加工方便等優勢，并且能夠在亞波長尺度對光波電磁場的振幅、相位和偏振態等進行靈活有效的精確調控，已被廣泛應用于光學的各個領域。利用超表面對光波的調控作用，有望為光波的偏振態測量提供新的測量思路和方法。

發明內容

本發明的一個目的在于針對現有技術的不足之處，提供一種斯托克斯偏振測量裝置，以解決現有技術中存在的偏振狀態測量不全面、偏振測量過程繁瑣、裝置難以裝調且體積大的技術問題。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種斯托克斯偏振測量裝置，包括依次設置的超表面陣列、線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置的多個納米磚結構單元，所述納米磚結構單元的功能等效為微納四分之一波片，所述納米磚結構單元包括工作面以及設置在所述工作面上的納米磚。

優選的，超表面陣列上的多個納米磚結構單元的尺寸參數相同但納米磚轉向角α不同。

優選的，所述線性偏振片的角度為0°。

優選的，所述納米磚結構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。

本發明的另一個目的是提供一種上述的斯托克斯偏振測量裝置中的超表面陣列的構建方法，包括如下步驟：

1)在工作波長下優化得到功能等效為微納四分之一波片的納米磚結構單元的尺寸參數；

2)以超表面陣列中心點為原點、平行超表面陣列底面所在平面建立xOy坐標系，納米磚結構單元的工作面的兩條邊的方向平行分別平行于x軸和y軸，納米磚結構單元的納米磚轉向角α為其納米磚的長軸L與x軸的夾角，納米磚中心點的位置極坐標表示為(r,θ)，其中，r、θ分別為納米磚中心點的極徑和極角；每個納米磚結構單元的納米磚轉向角α由納米磚中心點的位置坐標(r,θ)確定，納米磚轉向角α與納米磚中心點的坐標(r,θ)滿足的函數關系為：α＝f(r,θ)，其中f(r，θ)滿足根據超表面陣列上的各納米磚結構單元的納米磚中心點的位置坐標(r，θ)以及上述納米磚轉向角α函數關系計算確定出超表面陣列上各位置處的納米磚結構單元的納米磚轉向角α值；