斯托克斯偏振测量装置、测量方法及超表面阵列构建方法与流程

本发明属于微纳光学技术领域，具体涉及一种斯托克斯偏振测量装置、测量方法及超表面阵列构建方法。

背景技术：

频率、振幅、相位以及偏振都是光波的基本属性，其中偏振描述了光波电场矢量的振动轨迹。偏振态决定了光波与各向异性、手性和磁性物质之间的相互作用方式，形成了多种光学技术的基础。不同物体对于光波的吸收和反射，其本身的偏振特性存在一定的差别，根据光波的偏振特性可以获得不同于光强、频率等的目标的有用信息，在目标识别、物质分析等领域具有重要的作用。准确测量光波的偏振态对于偏振光谱、传感、成像、通信和量子信息检测等领域具有至关重要的应用。

斯托克斯矢量(stokes矢量)通过引入四个由强度测量确定的量可以描述包括偏振度在内的任意偏振光的状态，因此测量光波的斯托克斯矢量即可对光波的偏振状态进行全面精确的描述。在传统的光波偏振测量中，测量设备体积难以小型化，测量过程繁琐，因此亟待新的光波偏振测量手段。

超表面材料具有尺寸小、重量轻、加工方便等优势，并且能够在亚波长尺度对光波电磁场的振幅、相位和偏振态等进行灵活有效的精确调控，已被广泛应用于光学的各个领域。利用超表面对光波的调控作用，有望为光波的偏振态测量提供新的测量思路和方法。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种斯托克斯偏振测量装置，以解决现有技术中存在的偏振状态测量不全面、偏振测量过程繁琐、装置难以装调且体积大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种斯托克斯偏振测量装置，包括依次设置的超表面阵列、线性偏振片以及成像装置；

其中，所述超表面阵列包括等间隔设置的多个纳米砖结构单元，所述纳米砖结构单元的功能等效为微纳四分之一波片，所述纳米砖结构单元包括工作面以及设置在所述工作面上的纳米砖。

优选的，超表面阵列上的多个纳米砖结构单元的尺寸参数相同但纳米砖转向角α不同。

优选的，所述线性偏振片的角度为0°。

优选的，所述纳米砖结构单元的工作面采用二氧化硅制成，所述纳米砖采用硅材料制成。

本发明的另一个目的是提供一种上述的斯托克斯偏振测量装置中的超表面阵列的构建方法，包括如下步骤：

1)在工作波长下优化得到功能等效为微纳四分之一波片的纳米砖结构单元的尺寸参数；

2)以超表面阵列中心点为原点、平行超表面阵列底面所在平面建立xoy坐标系，纳米砖结构单元的工作面的两条边的方向平行分别平行于x轴和y轴，纳米砖结构单元的纳米砖转向角α为其纳米砖的长轴l与x轴的夹角，纳米砖中心点的位置极坐标表示为(r,θ)，其中，r、θ分别为纳米砖中心点的极径和极角；每个纳米砖结构单元的纳米砖转向角α由纳米砖中心点的位置坐标(r,θ)确定，纳米砖转向角α与纳米砖中心点的坐标(r,θ)满足的函数关系为：α＝f(r,θ)，其中f(r，θ)满足根据超表面阵列上的各纳米砖结构单元的纳米砖中心点的位置坐标(r，θ)以及上述纳米砖转向角α函数关系计算确定出超表面阵列上各位置处的纳米砖结构单元的纳米砖转向角α值；

3)将步骤1)中优化得到的尺寸参数的纳米砖结构单元按照步骤2)中计算得到的各位置处的纳米砖结构单元的纳米砖转向角α值进行排布即得到所需的超表面阵列。

优选的，纳米砖转向角α与纳米砖中心点的坐标(r,θ)的函数关系取：

优选的，所述超表面阵列的工作波长为632.8nm，所述纳米砖的长轴l、短轴w和高h以及所述工作面边长c的尺寸分别为l＝210nm，w＝50nm，h＝165nm，c＝300nm。

本发明还有一个目的是提供一种上述斯托克斯偏振测量装置的测量方法，包括：将偏振待测光波依次入射超表面阵列、线性偏振片，再由成像装置记录出射光波的空间光强分布，根据出射光波的空间光强分布，由最小二乘法计算偏振待测光波的斯托克斯矢量。

优选的，在所述纳米砖结构单元功能等效为微纳四分之一波片时，斯托克斯矢量为s＝[s0s1s2s3]^t的偏振待测光波依次经过纳米砖转向角为α的纳米砖结构单元、角度为0°的线性偏振片后，出射光强iout(α)与其斯托克斯矢量s和纳米砖转向角α之间关系为：式中s0表示总光强斯托克斯参数，s1表示水平方向光强斯托克斯参数，s2表示对角方向斯托克斯参数，s3表示竖直方向斯托克斯参数。

优选的，通过成像装置记录从线性偏振片出射的光强分布i，记录得到的光强分布i正比于从线性偏振片出射的光强iout，即i∝iout；根据纳米砖转向角α与纳米砖中心点的位置坐标(r,θ)间的函数关系α＝f(r,θ)、上述的出射光强iout(α)与s和α之间的函数关系得到成像装置记录的光强分布i与像素点的极角θ的函数关系，设定成像装置记录的光强分布的有效像素点数为m，则成像装置记录得到的光强分布i与待测斯托克斯矢量s之间的矩阵方程为：

bs＝i

式中，θi为成像装置记录的第i个像素点的极角(1≤i≤m)，ii为第i个像素点的光强，b为m×4的系数矩阵，s为待测斯托克斯矢量，其为4×1的矩阵，i为成像装置记录得到的光强分布，其为m×1的矩阵；

该矩阵方程为超定方程，用最小二乘法得到偏振待测光波的斯托克斯矢量为：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明测量过程简单，无运动元件，且无需分时重复测量，仅需要超表面、一片线性偏振片以及成像装置即可实现全斯托克斯矢量的测量，测量精度高。

附图说明

图1是本发明实施例中斯托克斯偏振测量装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中纳米砖结构单元的结构示意图；

图3是本发明实施例中超表面阵列的结构示意图；

图4是本发明实施例中纳米砖结构单元的排布方式示意图；

图5是本发明实施例中优化设计的功能等效为微纳四分之一波片的纳米砖单元结构响应特性仿真结果；

图6是本发明实施例中纳米砖结构单元的极角θ分布图；

图7是本发明实施例中纳米砖结构单元的纳米砖转向角α分布图；

其中，1为入射偏振待测光波；2为超表面阵列；3为角度为0°的线性偏振片；4为成像装置；5为纳米砖；6为纳米砖结构单元的工作面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明提供一种斯托克斯偏振测量装置，如图1所示，包括：用于斯托克斯偏振测量的超表面阵列2、线性偏振片3以及成像装置4，在本实施例中，线性偏振片3的角度为0°。上述的斯托克斯偏振测量的测量方法包括：偏振待测光波1依次入射超表面2、角度为0°的线性偏振片3，再由成像装置4记录出射光波的空间光强分布，根据出射光波的光强分布，由最小二乘法计算光波的斯托克斯矢量。

上述的斯托克斯偏振测量装置中的超表面阵列的构建方法，包括如下步骤：

1)在工作波长下优化得到功能等效为微纳四分之一波片的纳米砖结构单元的尺寸参数；

2)以超表面阵列中心点为原点、平行超表面阵列底面所在平面建立xoy坐标系，纳米砖结构单元的工作面的两条边的方向平行分别平行于x轴和y轴，纳米砖结构单元的纳米砖转向角α为其纳米砖的长轴l与x轴的夹角，纳米砖中心点的位置极坐标表示为(r,θ)，其中，r、θ分别为纳米砖中心点的极径和极角；每个纳米砖结构单元的纳米砖转向角α由纳米砖中心点的位置坐标(r,θ)确定，纳米砖转向角α与纳米砖中心点的坐标(r,θ)满足的函数关系为：α＝f(r,θ)，其中f(r，θ)满足根据超表面阵列上的各纳米砖结构单元的纳米砖中心点的位置坐标(r，θ)以及上述纳米砖转向角α函数关系计算确定出超表面阵列上各位置处的纳米砖结构单元的纳米砖转向角α值；

3)将步骤1)中优化得到的尺寸参数的纳米砖结构单元按照步骤2)中计算得到的各位置处的纳米砖结构单元的纳米砖转向角α值进行排布即得到所需的超表面阵列。

超表面阵列2包括等间隔设置的尺寸参数相同、转向角不同的多个纳米砖结构单元，其结构如图3所示。纳米砖结构单元如图2所示，包括正方形工作面6和设置在工作面上的长方体纳米砖5，纳米砖结构单元的结构参数包括纳米砖的长轴l、短轴w和高h以及工作面边长c的尺寸。如图4所示，以超表面阵列中心点为原点、平行超表面阵列底面所在平面建立xoy坐标系，所述纳米砖结构单元的工作面的两条边的方向平行分别平行于x轴和y轴，纳米砖结构单元的纳米砖转向角α为其纳米砖的长轴l与x轴的夹角，α∈[0，π)。

纳米砖5采用硅材料制成，工作面6采用二氧化硅材料，优化设计纳米砖结构单元的尺寸参数使其在λ＝632.8nm下功能等效为微纳四分之一波片，优化后的纳米砖的长轴l、短轴w和高h以及工作面边长c的尺寸分别为l＝210nm，w＝50nm，h＝165nm，c＝300nm，其响应特性仿真结果如图5所示。由图5可知，当入射光波长为设计波长λ＝632.8nm时，入射圆偏振光与线偏振光互相之间的转化效率高于86％，同时偏振态没有发生转化的光波透过率最低，结果表明，该优化后纳米砖单元结构具有微纳四分之一波片的功能。

如图4所示，纳米砖结构单元的中心点相对于超表面阵列的极坐标为(r,θ)，其中，r、θ分别为纳米砖中心点的极径和极角。超表面阵列上的纳米砖结构单元的纳米砖转向角α由其中心点的位置坐标(r,θ)确定，其纳米砖转向角α与坐标(r,θ)满足的函数关系为：α＝f(r,θ)，其中f(r,θ)满足最简单的，

纳米砖结构单元的极角θ的分布如图6所示，θ∈[0,2π)；则根据图6中的极角θ分布值以及计算确定出超表面阵列上各位置处的纳米砖结构单元的纳米砖转向角α值。计算得到超表面阵列上的各纳米砖结构单元的纳米砖转向角α的分布情况如图7所示，将上述优化得到的尺寸参数的纳米砖结构单元按照图7中对应的纳米砖转向角α进行排布则得到目标超表面阵列，其结构如图3所示。

以下详细说明通过最小二乘法进行偏振待测光波的斯托克斯矢量计算的原理：

纳米砖转向角为α、功能等效为微纳四分之一波片的纳米砖结构单元的米勒矩阵mqwp(α)为：

角度为0°的线性偏振片的米勒矩阵mlp为：

偏振待测光波的斯托克斯矢量表示为：

从线性偏振片出射光波的斯托克斯矢量为：

从线性偏振片出射光强为：

超表面阵列由不同的纳米砖转向角α的纳米砖结构单元等间隔排列组成，根据每一个功能等效为微纳四分之一波片的纳米砖结构单元对应的输出光强iout(α)可建立一个关于待测光波斯托克斯参量的线性方程。

构成超表面阵列的纳米砖结构单元的数量为n，第i个纳米砖结构单元的纳米砖转向角为αi，偏振待测光波依次入射该纳米砖结构单元和线性偏振片后对应的输出光强为ioi(1≤i≤n)，则输出光强ioi与待测斯托克斯矢量s之间的关系为：

用矩阵方程的形式表示为：

as＝iout

a为n×4的矩阵；s为4×1的矩阵，其为待测斯托克斯矢量；iout为n×1的矩阵。由于n＞＞4，所以该矩阵方程为超定方程，当矩阵a满列秩时，最小二乘法得到待测斯托克斯矢量为：

通过成像装置记录从线性偏振片出射的光强分布i，记录得到的光强分布i正比于从线性偏振片出射的光强iout，即i∝iout；根据纳米砖转向角α与纳米砖中心点的位置坐标(r,θ)间的函数关系α＝f(r,θ)、上述的出射光强iout(α)与s和α之间的函数关系得到成像装置记录的光强分布i与像素点的极角θ的函数关系，设定成像装置记录的光强分布的有效像素点数为m，则成像装置记录得到的光强分布i与待测斯托克斯矢量s之间的矩阵方程为：

bs＝i

式中，θi为成像装置记录的第i个像素点的极角(1≤i≤m)，ii为第i个像素点的强度，b为m×4的矩阵；s为4×1的矩阵，其为待测斯托克斯矢量；i为m×1的矩阵，其为成像装置4记录得到的强度分布。

对于该超定方程，用最小二乘法得到待测斯托克斯矢量为：

其中，上述待测斯托克斯矢量s中s0表示总光强斯托克斯参数，s1表示水平方向光强斯托克斯参数，s2表示对角方向斯托克斯参数，s3表示竖直方向斯托克斯参数。通过计算得到待测斯托克斯矢量s中的各参数值为：

s0＝i0＝i0°+i90°＝i45°+i135°＝il+ir

s1＝i0°-i90°

s2＝i45°-i135°

s3＝il-ir

上述i0表示总光强，i0°、i90°、i45°和i135°分别表示水平方向光强、竖直方向光强、45°和135°方向光强，il和ir分别表示左旋、右旋圆偏光光强。

进一步地，根据得到的偏振待测光波的斯托克斯矢量计算待测光波的线偏振度dolp、圆偏振度docp、偏振度dop和偏振方向por，其分别为：

由此可见，本发明实施例中提供的一种斯托克斯偏振测量装置和测量方法能够实现对任意光波的斯托克斯矢量进行测量，并且能够获得其线偏振度、圆偏振度、偏振度和偏振方向。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。