空间变化极化场的通用极化变换新途径

使用衍射偏振网络进行通用偏振转换。资料来源：加州大学洛杉矶分校 Ozcan 实验室。

偏振描述了光波振荡的方向，它在各种光学应用中发挥着至关重要的作用--从提高太阳镜和相机镜头的可视性，到促进先进的光通信和成像系统。了解和掌握光的偏振对于推动许多光学技术的发展至关重要。然而，操纵光场偏振态的空间分布却面临着巨大的障碍，尤其是当需要合成具有非均匀偏振态的光场时。

目前的偏振调制设备，如偏振器、波板、空间光调制器和各种类型的元表面，都局限于其输入和输出孔径之间有限的偏振散射矩阵范围。此外，现有设备实现的这些偏振变换并不通用，只有在输入偏振状态是预定义的情况下才会起作用，因此对设备输入端不可预测的空间变化偏振场无效。

加州大学洛杉矶分校的一个研究小组提出了一种偏振变换器衍射网络的设计方案，为空间变化偏振场的通用偏振变换开辟了一条新途径。他们的研究成果发表在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上，展示了一种衍射网络，能够在其输入和输出视场内不同位置的偏振态之间，全光合成一大套复值、任意选择的偏振散射矩阵。

通过有监督的深度学习训练，这种衍射偏振变换器由一系列各向同性的衍射层组成，每个衍射层都在亚波长级别上对数千个衍射特征进行了空间编码，这些衍射特征具有可优化的传输系数。在这些衍射层之间，还采用了二维线性偏振器阵列，在衍射处理器体积内引入偏振各向异性，线性偏振器以不同角度定向，并保持固定。

基于这种独特的光学结构，加州大学洛杉矶分校的研究人员表明，单个衍射偏振变压器就能在紧凑的衍射处理器体积内实现 10,000 种不同的空间编码偏振散射矩阵。

在加州大学洛杉矶分校电气与计算机工程系校长教授、加州纳米系统研究所（CNSI）副所长 Aydogan Ozcan 博士的领导下，研究小组还通过实验证实了这种衍射偏振变压器的可行性。

加州大学洛杉矶分校的研究团队利用通过光刻技术制造的线栅偏振器和三维打印的衍射层，构建了一个概念验证设计，可以在电磁波谱的太赫兹部分全光学地执行用户定义的偏振排列操作。

在实验验证过程中，制造出的衍射偏振变压器显示出同时执行各种空间编码偏振散射矩阵的能力，有效地将输入端的偏振态导航到输出端的所需的空间变化偏振态。测得的输出场与数值模拟和设计目标非常吻合，这表明极化转换取得了成功，而以前的技术是无法实现的。

展望未来，加州大学洛杉矶分校团队计划改进设计，以便在宽带照明下运行，同时处理光场中编码的振幅、相位、偏振和光谱特征。这种衍射偏振变换器可用于设计智能机器视觉系统，该系统具有偏振感知物体检测和分类功能，可广泛应用于遥感、安全/国防、材料检测和医学成像等领域。
参考资料

Yuhang Li et al, Universal Polarization Transformations: Spatial Programming of Polarization Scattering Matrices Using A Deep Learning‐Designed Diffractive Polarization Transformer, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202303395. On arXiv: arxiv.org/abs/2304.05724