级联超表面实现波长无关的快照斯托克斯偏振成像

      在高分辨率成像和生物医学诊断等前沿领域，斯托克斯偏振成像技术犹如一把“利器”，能高效获取丰富的光学信息。然而，传统的偏振成像系统却面临着诸多棘手难题。其操作波长受限，难以在宽波段范围兼容，并且光学设计繁杂，还容易出现偏振交叉干扰的情况。于是，开发波长不敏感的偏振成像系统，成了提升偏振图像质量、拓展其应用范围的关键任务。

    为攻克这些难题，相关研究团队创新性地提出了一种基于级联超表面的波长不敏感快照斯托克斯偏振成像方法。该方法借助几何相位超表面，达成了波长无关的单次曝光斯托克斯偏振成像。具体而言，是将两层几何相位超表面偏振光栅以级联的方式配置于4f成像系统内。如此一来，便可实现两个自旋分量的分离与交叉干扰，同时运用数字全息干涉法来获取光场的相位和幅度信息。这一方法极为巧妙，它能够在不同波长以及低相干光源的条件下，精准完成偏振测量，完全无需担忧波长漂移和错位问题。

    实验结果充分验证了该方法的有效性。实验中，系统能够在单次曝光里成功获取四个强度图像，并且通过数字全息法准确计算出两个自旋分量的相位延迟，进而顺利获得斯托克斯向量信息。在不同波长（473、552、633nm）的测试中，偏振光的S3变化与理论预测高度吻合，彰显出系统出色的波长稳定性。同时，在500-900nm波段范围内，光束分离比均匀一致，经实验测得系统分辨率为25.39lp/mm，与理论值相符。

    此研究的创新之处在于将算法与硬件设计有机结合。与传统多波长偏振成像系统相比，该方法无需复杂的结构设计，也不用进行精确的波长校正，成功解决了波长依赖性问题。这种方法在构建高速度、低功耗、易集成的偏振成像系统方面极具潜力，在生物医学诊断、材料表征和遥感探测等众多领域都能大显身手。毕竟，紧凑型、单次曝光且精确的斯托克斯偏振成像仪，在从遥感到生物诊断的各个领域都备受期待。近年来，基于超表面平台的偏振成像技术发展迅猛，推动着相关技术和成像仪不断革新。不过，以往的突破在单一工作波长以及超表面复杂性上存在较大局限。而此次提出的级联超表面策略，可谓另辟蹊径。

    该级联超表面架构是将二维和一维偏振光栅进行级联，并通过一维偏振光栅的纵向位移引入线性相位变化，以此实现偏轴干涉。虽说超表面需集成到4f系统并配置于成像系统中，这与光栅型偏振成像仪类似，但好处是降低了对超表面制造的要求。对于集成镜头的偏振成像仪和集成芯片的成像传感器而言，往往需要大孔径超表面来提升数值孔径和视场，然而制造大规模、具备高偏振消光比和低偏振串扰的几何变化纳米结构，一直是个极大的挑战。但该级联超表面架构就不存在这样的困扰，由于光栅具有平移不变性，干涉仪能够轻松与各类成像系统集成，完全不用担心超表面错位问题。而且，该架构不再限制入射光束的角度，在斜入射情况下也能正常工作，不会额外引入测量误差。另外，通过调节两个超表面之间的间隔，还能灵活调控干涉图样周期，以适配不同的应用场景以及具有不同成像分辨率的图像采集仪器。

    值得一提的是，该方法能够同时测量左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）分量的幅度和相位延迟，进而获取样品圆偏振双折射的复折射率，这对于表征圆二色性意义重大。LCP和RCP分量之间的相位延迟通过数字全息成像（DHI）获得，从高精度相位信息中可直接推导出方向角，有效避免了间接测量导致的误差积累。当然，和所有偏振成像方法一样，该方法通过偏振通道划分，成像视场会有所损失；若利用克拉默斯-克罗尼格关系解决数字全息成像问题，干涉仪的空间带宽乘积有望进一步提高。目前，由于硅材料的吸收以及元原子的半波长调制效应，该系统在整个可见光范围内的效率存在波动，这对偏振成像的信噪比产生了一定影响。不过，若采用低吸收材料如TiO₂，并优化元原子使其具有平坦的半波长延迟，这一效率问题便能得到有效解决。

    这种级联超表面策略，成功攻克了基于超表面的偏振成像中的操作波长难题。借助最简偏振光栅引发的光学自旋霍尔效应，级联超表面架构可在不依赖波长的情况下实现自旋分裂和干涉，进而通过数字全息成像完成单次曝光斯托克斯偏振成像。研究团队已在多个波长以及低相干光照射条件下，验证了该架构的可行性与鲁棒性，这也预示着该方法在生物诊断等应用领域，有着精准分辨分子空间位置和角度方向的巨大潜力。具体操作过程中，物体被放置在成像系统的输入平面，干涉仪则在成像平面上生成四个强度图像，分别对应LCP和RCP的分离强度图像，以及交叉偏振干涉图像。通过将这四个强度图像与数字全息干涉法相结合，就能同时得到两个自旋分量的幅度和相位延迟，从而精准获取偏振信息。