[发明专利]斯托克斯偏振测量装置、测量方法及超表面阵列构建方法

权利要求书

1.一种斯托克斯偏振测量装置，其特征在于，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；

上述纳米砖的纳米砖转向角α与纳米砖中心点的坐标(r,θ)的函数关系取：式中，r、θ分别为纳米砖中心点的极径和极角。

2.根据权利要求1所述的斯托克斯偏振测量装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的斯托克斯偏振测量装置，其特征在于，所述线性偏振片的角度为0°。

4.根据权利要求1所述的斯托克斯偏振测量装置，其特征在于，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。

5.一种根据权利要求1-4任意一项所述的斯托克斯偏振测量装置中的超表面阵列的构建方法，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的斯托克斯偏振测量装置中的超表面阵列的构建方法，其特征在于，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。

7.一种根据权利要求1-4任意一项所述的斯托克斯偏振测量装置的测量方法，其特征在于，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。

8.根据权利要求7所述的斯托克斯偏振测量装置的测量方法，其特征在于，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＝[S₀ S₁ S₂ S₃]^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I_out(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。

9.根据权利要求8所述的斯托克斯偏振测量装置的测量方法，其特征在于，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I_out，即I∝I_out；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I_out(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，θ_i为成像装置记录的第i个像素点的极角(1≤i≤m)，I_i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：