準(zhǔn)確測定太赫茲（THz）波段的偏振態(tài)（SoP），可為安全通信、材料表征、無損檢測及生物醫(yī)學(xué)成像等新興技術(shù)提供支持。傳統(tǒng)太赫茲偏振儀常依賴旋轉(zhuǎn)組件或序貫測量，這會引發(fā)機(jī)械不穩(wěn)定性并增加采集時間。

為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，格拉斯哥大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于單層硅微柱的單片超表面偏振儀（MSP）。該 MSP 的光學(xué)表征是通過工作在遠(yuǎn)紅外波段的愛丁堡儀器 FIR-295 激光器完成的。MSP 可在單張圖像中捕獲所有偏振信息，無需移動部件，從而實現(xiàn)快速、緊湊且穩(wěn)定的太赫茲偏振測量。這項研究成果已發(fā)表在《Optics Letters》期刊上。

圖1 格拉斯哥大學(xué)研究人員實驗裝置的光學(xué)圖像，展示了由 PL5 型 CO?激光器進(jìn)行光泵浦的愛丁堡儀器 FIR-295 氣體激光器。圖片由格拉斯哥大學(xué)提供。

圖2 校準(zhǔn)與偏振態(tài)（SoP）測量所用裝置的示意圖。其中：BS 為非偏振分束器；PM 為功率計；LP 為線性偏振片；HWR/QWR 為半波 / 四分之一波片。圖片經(jīng)作者許可使用。

為校準(zhǔn)系統(tǒng)，研究人員采用了一組明確的偏振態(tài)：水平（H）、垂直（V）、對角（D）、反對角（A）、右旋圓偏振（R）和左旋圓偏振（L）。通過記錄這些輸入偏振態(tài)對應(yīng)的光斑強度，他們建立了一個參考矩陣（圖 3）。借助該校準(zhǔn)步驟，后續(xù)可從單張采集的圖像中還原任意偏振態(tài)的完整斯托克斯參數(shù)（S1, S2, S3），無需使用移動部件或進(jìn)行序貫測量。

圖3 單片超表面偏振儀（MSP）在 6 種典型偏振態(tài)（水平 H、垂直 V、對角 D、反對角 A、右旋圓 R、左旋圓 L）入射下的校準(zhǔn)測量結(jié)果：每個子圖對應(yīng)超表面后焦距 82 mm 處焦平面的探測強度，6 個相位函數(shù)對應(yīng)的光斑按偏振態(tài)標(biāo)注，設(shè)計的軸外位移 Δxy 為 3.88 mm。這些光斑的強度分布隨入射偏振態(tài)變化，與論文中的仿真結(jié)果高度吻合。圖片經(jīng)作者許可使用。

該超表面偏振儀的偏振測量精度達(dá) 92.1%±4.2%，與時域有限差分仿真結(jié)果一致；FIR-295 激光器的高功率與光束質(zhì)量，保障了探測器信號強度并縮短積分時間，使 “單次測量” 式偏振檢測成為可能。這一成果推動了太赫茲計量技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了緊湊、機(jī)械穩(wěn)定且能實時捕獲全偏振態(tài)的偏振儀，驗證了先進(jìn)超表面光學(xué)與高性能太赫茲光源（如 FIR-295）結(jié)合的優(yōu)勢。