基于光电偏振特征向量的片上全斯托克斯偏振计
基于光电偏振特征向量的片上全斯托克斯偏振计研究
学术背景
光的偏振态在光学通信、生物医学诊断、遥感、宇宙学等多个领域中具有重要的应用价值。斯托克斯矢量（Stokes vector）是描述光偏振态的四个参数，能够完整地反映光的强度和偏振状态。传统的偏振计通常依赖于离散的光学元件，如棱镜、透镜、滤波器和波片等，这些元件体积庞大，限制了偏振计的小型化和广泛应用。近年来，随着纳米光子学和超表面（metasurface）技术的发展，研究人员开始探索基于超表面的紧凑型偏振计。然而，现有的超表面偏振计在红外波段的应用中面临诸多挑战，如像素对齐问题、光学串扰以及红外吸收等。
为了解决这些问题，本文提出了一种基于光电偏振特征向量（optoelectronic polarization eigenvector, OPEV）的片上全斯托克斯偏振计。通过配置四个光电偏振特征向量，构建了一个优化的光电转换矩阵（optoelectronic conversion matrix, OCM），实现了高精度的全斯托克斯偏振检测。该偏振计由四个子像素组成，共享同一块少层二硫化钼（MoS₂）作为探测材料，每个子像素集成了一个等离子体超表面，对应不同的光电偏振特征向量。通过优化超表面的几何排列，最小化了光电转换矩阵的条件数，从而实现了高精度的斯托克斯参数重建。
论文来源
本文由Jie Deng、Mengdie Shi、Xingsi Liu等作者共同撰写，研究团队来自中国科学院上海技术物理研究所、新加坡国立大学、东南大学、电子科技大学等多个机构。论文于2024年11月发表在《Nature Electronics》期刊上，DOI为10.1038/s41928-024-01287-w。
研究流程
1. 光电偏振特征向量（OPEV）的概念与设计
光电偏振特征向量（OPEV）是描述入射斯托克斯矢量与探测器光电流之间线性关系的四维向量。通过配置四个OPEV，构建了一个光电转换矩阵（OCM），用于将入射光的斯托克斯矢量转换为光电流。每个子像素的光电流可以表示为： [ j_{ph} = \mu \cdot S ] 其中，(\mu) 是OPEV，(S) 是斯托克斯矢量。
2. 片上偏振计的设计与制造
片上偏振计由四个子像素组成，每个子像素包含一个集成的等离子体超表面。超表面的几何排列经过优化，以确保光电转换矩阵的条件数最小化。具体来说，四个子像素的超表面分别对应不同的几何排列方式，分别为（y, +）、（y, -）、（x, +）和（x, -）。通过这种排列方式，四个OPEV构成了一个规则四面体，从而最小化了条件数。
3. 实验与结果
通过实验验证，研究人员发现，使用优化后的光电转换矩阵并结合机器学习算法（高斯过程回归），全斯托克斯重建的均方根误差（RMSE）在整个偏振态范围内均小于1%。具体来说，斯托克斯参数 (S_0)、(S_1)、(S_2) 和 (S_3) 的RMSE分别为0.13%、0.98%、0.96%和0.58%。这一结果表明，该偏振计在红外波段具有极高的重建精度。
4. 宽带偏振重建
为了确保在1200至1600 nm的波长范围内光电转换矩阵的条件数保持较低水平，研究人员对超表面的几何参数进行了调整。实验结果表明，在整个波长范围内，斯托克斯参数的重建误差均小于0.4%，表明该偏振计在近红外波段具有广泛的适用性。
主要结果
- 高精度斯托克斯重建：通过优化光电转换矩阵并结合机器学习算法，研究人员实现了全斯托克斯参数的高精度重建，RMSE均小于1%。
- 宽带偏振重建：在1200至1600 nm的波长范围内，斯托克斯参数的重建误差均小于0.4%，表明该偏振计在近红外波段具有广泛的适用性。
- 片上集成：该偏振计采用片上集成设计，体积小巧，适用于多种应用场景。
结论与意义
本文提出了一种基于光电偏振特征向量的片上全斯托克斯偏振计，通过优化超表面的几何排列和光电转换矩阵，实现了高精度的斯托克斯参数重建。该偏振计在红外波段具有广泛的应用前景，特别是在光学通信、遥感和生物医学诊断等领域。此外，该研究还为未来开发更紧凑、更高精度的偏振计提供了新的思路和方法。
研究亮点
- 高精度重建：通过优化光电转换矩阵和机器学习算法，实现了全斯托克斯参数的高精度重建，RMSE均小于1%。
- 宽带适用性：在1200至1600 nm的波长范围内，斯托克斯参数的重建误差均小于0.4%，表明该偏振计在近红外波段具有广泛的适用性。
- 片上集成：该偏振计采用片上集成设计，体积小巧，适用于多种应用场景。
其他有价值的信息
本文还探讨了光电偏振特征向量在不同光电响应机制中的适用性，并通过实验验证了其在黑磷和InGaAs红外探测器中的应用。此外，研究人员还提出了基于OPEV的片上偏振计的设计流程，为未来的研究提供了参考。
本文的研究为偏振检测技术的发展提供了新的思路，特别是在红外波段的应用中具有重要的科学和应用价值。通过优化超表面的设计和光电转换矩阵，研究人员成功实现了高精度的斯托克斯参数重建，为未来的偏振计设计提供了重要的参考。