[超表面论文最新研究-576]南昌大学于天宝团队在Optica发表超表面衍射光学网络集成光谱偏振计研究

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标题：

Integrated spectropolarimeter by metasurface-based diffractive optical networks

作者：

Jumin Qiu（南昌大学物理与材料科学学院）；

Tingting Liu（南昌大学信息工程学院）；

Chenxuan Xiang（南昌大学信息工程学院）；

通讯作者： Tianbao Yu（南昌大学物理与材料科学学院）；

通讯作者： Qiegen Liu（南昌大学信息工程学院）；

通讯作者： Shuyuan Xiao（南昌大学信息工程学院）；

图1 基于超表面衍射光学网络的集成光谱偏振计。

（a）衍射光学网络示意图。具有任意光谱组成和偏振状态的入射光由光学编码器编码，经双层级联超表面处理后，在CMOS传感器上形成空间强度分布，再由协同设计的电子解码器重建光谱和Stokes参数。超表面衍射光学网络可直接集成到图像传感器芯片上。（b）衍射光学网络训练流程。通过反向传播最小化预测值与真实值之间的损失函数，对超表面的物理参数和人工神经网络权重进行联合优化。

图2 基于超表面的编码器设计。

（a）Si纳米砖阵列示意图。（b）和（c）示例纳米砖的透射率和相位移分布图。（d）用于确认纳米砖分布均匀性的大面积扫描电子显微镜图像，以及单个纳米砖的高分辨率图像。比例尺分别为2 μm和500 nm。（e）不同波长和入射偏振态下的实验测量强度分布，其中上排对应不同波长下的LCP入射，下排对应1300 nm波长下的不同偏振态。比例尺分别为100 μm和20 μm。

图3 光谱偏振计的实验验证。

（a）实验装置示意图。样品由波长和偏振调制光照明，空间强度图样由相机记录。参考测量通过商业光谱分析仪和偏振仪获得。（b）离散窄带光源的光谱重建性能，显示出精确的波长分辨能力（平均绝对误差=0.004）。（c）宽带光谱重建结果，重建谱与参考谱高度一致，证明其适用于多色光源（平均绝对误差=0.031，平均相对误差=7.39%）。（d）双峰光谱分辨测试，表明系统能够区分间隔为6 nm的谱线特征（分辨率受实验设备限制）。（e）使用均匀分布于庞加莱球上的偏振态评估全Stokes偏振重建性能，Stokes参数平均绝对误差为0.016。（f）通过神经网络重建具有不同波长-偏振组合编码的三个数字，得到高保真图像且背景噪声极低。比例尺为100 μm。HWP表示半波片；QWP表示四分之一波片；NPBS表示非偏振分束器；MS表示超表面。

图4 芯片集成式基于超表面衍射光学网络的传感器原型。

（a）芯片集成传感器示意图。光学透明胶用于将超表面编码器键合到CMOS像素阵列上。（b）带光纤耦合光源和3D打印支架的实验装置，用于简化光耦合。（c）集成传感器原型照片，显示其紧凑的小型化结构。比例尺为1 cm。（d）–（g）集成传感器的性能表征，展示其在（d）窄带光源（平均绝对误差=0.007）和（e）宽带光源（平均绝对误差=0.027，平均相对误差=6.98%）下的重建保真度，以及（f）4 nm光谱分辨率（受实验设备限制）和（g）偏振重建平均绝对误差=0.039。该集成传感器在实现单次曝光、紧凑型光谱偏振测量的同时，仍保持了有竞争力的性能。

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