[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

说明书

本发明提供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；超表面阵列构建方法中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，其满足的函数关系为：α＝f(r,θ)，其中f(r,θ)满足本发明的测量装置及测量过程简单，无运动元件，无需分时重复测量，可实现全斯托克斯矢量的高精度测量。

技术领域

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。

发明内容

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；