eLight·封面 | 计算多维光场感知

光场携带了振幅、相位、偏振、光谱等多个维度的信息。对于光电传感器，除去光强，对目标场景额外维度光场信息的感知也具有重要意义。例如，对光场偏振信息的探测可以实现图像增强、“穿云去雾”等特殊功能，可被用于工业检测、遥感等场合。光谱会携带物质的“指纹”信息，对光谱的精细探测正在天文探测、消费电子等应用领域扮演日渐重要的角色。

图1：传统偏振光谱探测（a）和基于动态超构表面的偏振光谱探测（b）系统示意图

然而，传统偏振测量仪和光谱仪需要借助额外的空间分光元件或机械扫描部件，导致系统体积庞大、结构复杂等问题。更进一步地，若想实现针对多维光场的同时探测，一般需要利用不同偏振探测和光谱探测手段的级联（如图1a所示），这会使得系统体积和复杂度进一步提高。

针对以上难题，清华大学精密仪器系杨原牧副教授研究团队提出了一种基于动态超构表面编码的计算多维光场感知技术。该技术原理如图1b所示，系统利用集成液晶的硅基超构表面，将入射光的偏振和光谱信息进行编码，随后根据单像素光电探测器采集到的反射光强随液晶电压的变化关系，通过重建算法对多维光场信息进行解码，可以同时恢复重建入射光的全斯托克斯偏振信息和光谱信息。该成果近日以“Computational spectropolarimetry with a tunable liquid crystal metasurface”为题发表于卓越计划高起点新刊eLight。

图2：（a）集成液晶超构表面结构示意图；（b）x方向偏振光入射时超构表面的反射谱

该探测系统中，超构表面由周期性一维亚波长硅基光栅和液晶构成，如图2a所示。通过设计优化，这一超构表面可以支持多个各向异性的高品质因子导波模谐振。当对液晶上下基板施加不同大小的交流电压时，超构表面反射率会随液晶转角变化而发生变化，如图2b所示。通过构造随入射光偏振和电压变化剧烈变化的反射率谱线，可以使得系统偏振光谱测量矩阵具有弱相关性，从而保证偏振光谱信息计算恢复的准确性。

图3：（a）超构表面器件实物图；单色光（b）、宽谱光（c）的实验偏振光谱恢复结果

实验上，研究团队通过电子束光刻和反应离子束刻蚀工艺制备了亚波长硅基光栅，并利用标准液晶封装工艺完成了器件封装，最终样品如图3所示。在标定完成系统的测量矩阵后，本文实现了在近红外波段分别对单色光和宽谱光的全斯托克斯偏振信息和光谱信息的恢复重建。

本工作所设计的动态超构表面加工工艺与CMOS工艺和标准液晶封装工艺完全兼容；系统单次偏振光谱测量和计算恢复所需总时间不到1秒；通过将动态超构表面与多像素光电传感器集成，有望在不牺牲空间分辨率的情况下实现偏振光谱成像。利用动态超构表面对多维光场进行编码的方法为发展下一代小体积、小重量、低功耗的多维光场传感器开拓了新的思路。

本论文的完成单位为清华大学精密仪器系、精密测试技术与仪器国家重点实验室，第一作者为博士生倪一博，通讯作者为杨原牧副教授。清华大学精密仪器系孙利群教授、博士生陈辰、闻顺、薛鑫源为论文工作作出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金和清华大学国强研究院的资助。

| 论文信息 |

Ni, Y., Chen, C., Wen, S. et al. Computational spectropolarimetry with a tunable liquid crystal metasurface. eLight 2, 23 (2022). 

https://doi.org/10.1186/s43593-022-00032-0

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