1. 导读
偏振携带着电磁波的基本信息，在通信、传感和光与物质的相互作用中有着重要的应用。因此，针对偏振态的转换和检测在光学应用中起着至关重要的作用。全斯托克斯参数矩阵通常用于分辨入射偏振态，并且可以使用不同偏振分量之间的强度差来确定。然而，太赫兹波段的特殊属性，如巨大的插入损耗，使得无法使用传统方法测量组成全斯托克斯参数矩阵的S参数。因此，迫切需要开发一种适用于太赫兹波段且高效的偏振检测方案。另一方面，由于太赫兹波的波长相对较长，传统的偏振检测相关功能器件尺寸较大，削弱了系统集成和小型化的进程。针对这些问题，近日天津大学姚建铨院士团队联合南昌大学沈云副教授课题组在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种基于自旋偏振复用编码技术的超表面解决方案，即利用各向异性的全硅超构单元中两种不同机制的相位，分别为LCP和RCP通道提供具有离轴双聚焦特性的相位编码轮廓。以偏振椭圆为关键参数，生动地实现了入射偏振态与远场图像的一对一映射（见图1），并利用THz探测设备对所制造的全硅样品进行了实验验证。团队在数值仿真模拟基础上，通过提取像素化焦平面上不同位置的复振幅信息，可以连续重建全斯托克斯矩阵和偏振椭圆等关键参数。所得到的实验结果均与理论预期非常吻合，这也充分证明了该设计方法的有效性。该研究成果为未来THz偏振检测应用打开了一扇新的窗口，并为开发新型、超紧凑和高性能的光电子器件注入了新的活力。图1 基于偏振复用编码技术的太赫兹偏振检测方法示意图
2. 研究背景
作为决定电磁波基本性质的关键参数，偏振态携带着电磁波的基本信息。以电场振荡方向为特征的偏振态可以有效地增强光与物质之间的相互作用。据报道，偏振态的操纵和探测有广阔的应用前景，例如材料识别、显微镜和遥感。传统的光学元件依赖于光传播过程中积累的相位延迟来形成光束，导致光学元件体积庞大，成像系统体积大，不适合器件小型化和系统集成。尤其是在太赫兹频率下，巨大的插入损耗，使得无法使用传统方法测量组成全斯托克斯参数。为解决这些实际问题，研究人员引入了超表面的设计理念，可以在亚波长尺度下定制化入射波的振幅，相位和偏振。作为具有超薄构造，高损伤阈值和低损耗等独特优势的全介质超表面，为实现按需定制的自旋偏振复用型光学器件提供了可能性。基于超表面，国内外研究人员利用具有偏振分离特性的器件在不同的空间坐标处实现了对入射偏振态的全斯托克斯参数的重建。然而，由于THz源光斑尺寸的限制，具有偏振分离特性的超表面，并且像差效应的存在使我们难以准确且快速的分辨出入射波所携带的偏振态。如何在实现偏振聚焦的同时，在单次测量中准确的可视化入射偏振态，是当下面临的重要科学问题。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从具有全硅构造的透射式超构单元出发，提出了一种用于偏振检测的具有离轴双焦点特性的太赫兹全硅超表面。基于自旋复用相位编码技术，研究人员寻找了两种不同机制的相位来帮助实现双功能矢量光束，即与入射光偏振无关的共振相位和偏振依赖的几何相位，按照离轴双聚焦特性反解出相位组合，实现了对左右旋入射下任意的相位编码轮廓（见图1）。结合全斯托克斯分量的矩阵，并以偏振椭圆为关键参数，生动地实现了入射偏振态与远场图像的一对一映射。通过提取像素化焦平面上不同位置的复振幅信息，可以连续重建全斯托克斯参数矩阵和可视化的偏振椭圆。事实上，嵌入正交的圆偏振通道内的相位差保证了在离轴双焦点处重建的偏振态可以相互验证。此外，扩展焦距相位编码技术在正交圆偏振（CP）信道中的应用保证了实验结果与仿真结果之间的良好一致性。
图2 制造的样品在不同的线偏振入射下的模拟和实验结果。这包括从直接测量获得的电场分布、归一化的截面强度分布和通过数据处理获得的参数S1
随后，研究人员利用探针式THz近场扫描系统分别提取了x和y偏振入射下在焦平面处产生的复振幅信息。在0.8 THz的工作频率下，不同偏振分量的模拟和测量电场分布可以在图2中找到。充分利用具有各向异性的全硅单元所携带的偏振特性、通过联合共振相位和几何相位，在预先设计的焦平面处产生具有定制化相位差的离轴焦点，最终使用标准算法提取不同的偏振分量中相同坐标处的复振幅。在完整的偏振理论指导下，团队不仅在实验中重建出了入射偏振的全斯托克斯参数，而且进一步用偏振椭圆可视化了偏振态。另外，焦平面处得到的S1参数分布同样具有偏振可分辨性。在组成全斯托克斯参数矩阵的六种偏振的基础上，团队又进一步探索了任意偏振入射下，焦平面处得到的具有普适性的参数化理论模型。在庞加莱球的表面上定义了入射偏振态的移动轨迹，即从x偏振到y偏振入射的逐渐转换，而手性不发生变化，仿真实验结果如图3中所示。此外，使用偏振椭圆对预定路径下的入射偏振轨迹进行可视化，以进一步确认该超表面的偏振检测能力。实验结果均与预期吻合良好。
图3 利用监测到的入射偏振沿预先设计的轨迹移动时的电场分布建立的参数模型
4. 应用与展望
研究团队提出的用于偏振检测的具有离轴双焦点特性的太赫兹全硅超表面的新方法，是一种普适、高效、功能广泛的方法。基于偏振复用相位编码技术，预先设计的用于表征偏振态的焦平面上的焦斑具有离轴双焦特性。通过使用微探针逐一记录焦平面中的电场分布，使我们能够使用标准算法重建入射偏振态的全斯托克斯参数矩阵，并可在未来被拓展到任意波段和任意入射偏振体系等。我们期望所提出的超表面机制在偏振成像、未来通信和遥感中的产生广泛的应用前景。该研究成果以“Terahertz all-silicon metasurfaces with off-axis bifocal characteristics for polarization detection”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Hui Li, Shouxin Duan, Chenglong Zheng, Hang Xu, Jie Li, Chunyu Song, Fan Yang, Wei Shi, Yating Zhang, Yun Shen, and Jianquan Yao，其中Wei Shi教授，Yating Zhang副教授，Yun Shen副教授和Jianquan Yao院士为共同通讯作者。姚建铨院士团队隶属于天津大学激光与光电子研究所。沈云课题组隶属于南昌大学太赫兹物理与器件实验室。
