液晶超表面可以实现多维光场传感

虽然传统的光电探测器只能测量光强度，但光场包含的信息要丰富得多。该信息包括但不限于相位、极化和频谱。多维光场信息的测量可以在各个领域找到其应用。例如，偏振测量可以揭示物体的材料成分和表面纹理。光谱分析可用于化学研究和基于波分的电信。

传统的旋光仪和光谱仪通常体积庞大，这阻碍了它们在小型化平台中的应用。分幅偏振计和光谱仪利用偏振分束器和色散元件。这些设计用于在空间上分离和区分具有不同偏振和波长的光。

或者，分时旋光仪和光谱仪利用可调谐偏振和波长滤波器来顺序测量具有不同偏振和光谱分量的光强度。通过偏振和光谱检测机制的多路复用，最近开发了可以同时测量光的偏振和光谱的复合系统。然而，多路复用不可避免地导致进一步增加的系统形式因数和复杂性。

在eLight发表的一篇新论文中，由清华大学精密仪器系精密测量技术与仪器国家重点实验室杨元木教授领导的科学家团队开发了一种基于电学的近红外光谱偏振仪。可调谐液晶超表面。

这篇题为“具有可调谐液晶超表面的计算光谱偏振测量法”的论文展示了如何通过具有高质量因数导模共振的可调谐超表面与计算重建算法相结合来实现同时偏振和光谱测量。

超表面是一类新兴的平面衍射光学元件。它的设计灵活性为操纵矢量光场开辟了新天地。近年来已经开发了基于超表面的旋光仪和光谱仪。还展示了计算旋光仪和光谱仪。这些设备展示了如何使用可调谐石墨烯集成的超表面或​​超表面阵列对入射光的偏振或光谱进行编码。

多维光场信息的同时复用和重建仍然具有挑战性。已经通过在空间上分裂具有不同偏振分量和波长的入射光来证明基于超表面的分光偏振法。然而，这种方法需要用于在单个空间位置进行偏振和光谱检测的检测器阵列。它阻止其用于光谱偏振成像。

研究人员提出并通过实验证明了一种分光偏振计，可以同时测量近红外光的偏振和光谱。该系统的核心硬件是一个电可调液晶嵌入式硅超表面。超表面经过定制以支持多种高质量因数导模共振。

超表面具有丰富的各向异性光谱特征，可以通过施加不同的偏置电压进行广泛调谐。该系统可以根据单像素光电探测器记录的反射光强度重建入射光的完整斯托克斯参数和光谱。液晶超表面的制造与互补金属氧化物半导体(CMOS)和硅上液晶(LCoS)制造工艺完全兼容。这意味着该系统可以以低成本大规模生产。

基于可调谐超表面的多维光场编码器的演示允许同时测量近红外光的偏振和光谱。超表面使用其各向异性的高Q导模共振对偏振和光谱信息进行编码。尽管液晶超表面目前以反射模式工作，但也可以设计一种透射液晶超表面，以实现与光电探测器的更紧凑集成。

当与适当的探测器阵列集成时，液晶超表面可用于光谱偏振成像而不牺牲空间分辨率。所提出的液晶超表面可用于许多需要偏振和光谱测量的应用，例如生物医学成像、遥感和光通信。这种策略也可以扩展到构建可以测量附加光场信息的紧凑系统，例如目标场景的深度或入射光的波前。