本文由論文作者團隊撰稿

導讀

近日，南京大學現代工程與應用科學學院李濤、祝世寧課題組通過平面手性超構表面和卷積神經網絡的結合，實現了高空間分辨率的偏振分析器件。

該工作充分利用了超構表面在相位和偏振調控的強大能力，構建了基于同偏振和正交偏振的三獨立相位編碼通道，讓三個通道的光場進行線聚焦形成交叉三角形，然后根據三條邊和交叉點的光強可以一次性獲得不同偏振態光場的振幅和相位信息，從而實現非交錯像素的偏振檢測。同時，研究人員還引入卷積神經網絡，進一步提升偏振解算過程中的精確度和魯棒性。最終實現了高度集成的高分辨率偏振檢測與分析。

該文章以“Neural network assisted high-spatial-resolution polarimetry with non-interleaved chiral metasurfaces”為題發表在Light: Science & Applications。

該研究工作得到了國家自然科學基金委和國家重點研發計劃的大力支持。南京大學現代工程與應用科學學院助理研究員陳晨博士和博士生肖行健為該論文的共同第一作者，南京大學現代工程與應用學院李濤教授為論文通訊作者，該工作得到祝世寧院士的悉心指導。

對偏振信息的解算在從遙感、大氣到生物、顯微等領域都有重要應用。傳統的偏振測量往往需要一系列分束鏡和偏振原件等，系統因此體積較大，較為復雜。

超構表面作為一種靈活調控的平面衍射器件，為集成化的偏振分析儀提供了可能。

超構光學行業創業公司Metalenz也基于超構光學技術推出了用于消費級產品的Polar ID，通過捕捉人臉獨特的偏振特征，來實現高安全性的人臉解鎖功能。

目前基于超構光學技術的偏振分析儀主要有兩類，一類是超構透鏡型，通過對不同偏振基矢的獨立分光聚焦強度來分別計算斯托克斯參量，因此受限于橫向分辨尺寸；另一類是超構光柵型，基于矩陣傅里葉光學對不同偏振進行衍射階次的分光，但通常要再結合透鏡聚焦使其縱向尺寸受限。而隨著現代光學的發展，對偏振分析儀的集成性和空間分辨率提出了更高的要求。

圖1：三通道偏振復用手性超構表面實現偏振測量的原理示意圖。

三通道手性超構表面直接實現偏振測量。不同于其他工作基于不同超構表面測量不同偏振的強度來解算斯托克斯參量，研究人員提出通過單超構表面直接測量強度和相位來解算偏振信息。研究人員在原先手性超構表面的基礎上(Nano Lett. 21,1815 (2021), Optica, 9, 1314 (2022))進一步設計了一種三個偏振通道復用的手性超構表面，可獨立調控兩個正交圓偏振通道（R-L & L-R）和一個同偏振通道（R-R/L-L）。如圖1所示，三個偏振通道分別形成三條聚焦線，通過聚焦線的強度可計算圓偏振基矢的強度對比，通過考察交點的強度則可推算出圓偏振基矢之間的相位差，從而解算偏振信息。其中手性超構表面的三通道偏振復用能力為實現高空間分辨率的偏振測量奠定了基礎。

圖2：用于偏振分析的神經網絡架構。(a)數據增強后的輸入圖片。 (b) 輸出為對應的斯托克斯參量。 (c) 卷積神經網絡的結構參數。(d) 基于訓練周期的損失函數。針對(e) 20微米和 (f) 10微米空間分辨率的測試數據的統計分布和累積概率分布。

卷積神經網絡輔助提高測量精度、速度和魯棒性。為提升偏振測量的精度和魯棒性，研究人員提出了一種卷積神經網絡架構，如圖2所示，輸入為基于模擬和實驗焦面分布的數據增強，包含了噪聲、圖片拉伸旋轉等操作，可顯著提升實際應用中的魯棒性。經過6層連續的卷積層，輸入圖片中隱藏的特征可被提取出來，再經過連接層轉化為輸出的斯托克斯參量。對于不同的偏振態，基于直徑20微米的超構表面，也就是空間分辨率達20微米，其經過神經網絡后偏振測量得到的斯托克斯參量的平均偏差為0.06，具有較高的保真度，解算時間也大為提高，少于0.05s。偏振測量的空間分辨率可進一步提升至10微米，解算的斯托克斯參量平均誤差為0.108。

圖3. 空間非均勻偏振態的實驗測量。(a)空間非均勻偏振光束的強度分布。 (b) (c)在不同圓偏振檢偏下的焦面強度分布。(d)-(f) 基于神經網絡推算的斯托克斯參量分布，虛線為設計值。(g) 神經網絡推算的偏振態分布示意圖。 (h) 設計的偏振態分布示意圖。

基于以上設計，研究人員利用超構表面陣列分別展示了針對空間均勻和非均勻的偏振態測量。以空間非均勻的偏振測量為例，研究人員基于幾何相位的超構表面制備了空間快速變化的矢量偏振光（如圖3所示），并基于神經網絡輔助的手性超構表面陣列對其進行測量，可準確得還原其空間不同位置的偏振態分布。圖3(g) 為神經網絡解算結果，3(h)為實際設計的偏振分布。研究人員進一步展示了該方案在實際生產生活中的應用，以外形相似的太陽鏡和3D眼鏡的區分為例（見圖4），通過采集到的不同的焦面分布，可直接區分其功能屬性。

圖4：外形相似的太陽鏡和3D眼鏡的區分。

總結與展望

研究團隊設計了一種三偏振通道獨立調制的手性超構表面，可同時實現對圓偏振基矢的強度和相位測量，顯著提升了偏振測量器件的集成性和空間分辨率。通過引入卷積神經網絡，可進一步提升偏振解算過程中的精確度和魯棒性。該方案展示了手性超構表面強大的偏振相位調制能力，及其在高精度偏振測量等方面的應用潛力。

論文信息

Chen, C., Xiao, X., Ye, X. et al. Neural network assisted high-spatial-resolution polarimetry with non-interleaved chiral metasurfaces. Light Sci Appl 12, 288 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01337-6

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