近日，物理与光电工程学院（理工学院）纳米光子学研究院包燕军教授和李宝军教授在超构表面光学成像研究中取得重要进展，团队提出了一种基于超构表面的成像技术，通过单次曝光就能获取任意光场的强度、相位、偏振信息。该成果以“Single-shot simultaneous intensity, phase, and polarization imaging with metasurface”为题发表在国际综合性期刊National Science Review上（Natl Sci Rev, 12: nwae418, 2025）。
光是一种电磁波，携带了强度、相位和偏振信息。这三个参量的精确成像对光学检测、通信、激光加工、生物医学诊断等具有重要意义。传统的光场参量测量主要依赖于复杂的光学系统，需要集成使用偏振片、滤波片、分束器等光学元件，不但增加了系统的复杂度，而且需要多次测量才能获取完整的光场参量分布信息，因而限制了其应用。基于超构表面的成像有助于解决传统光学系统的局限性，但仅能获取部分光场参量信息，且对待测光场参量的分布有特定要求。
针对这一问题，该团队教授利用优化算法、通过精确设计超构表面结构参数，实现了入射光场正交偏振分量的可控衍射，产生了均匀参考光场，在图像传感器上生成了七个特定子图像，其中三个干涉图像用于x偏振相位重建，另外四个图像用于强度和偏振信息提取，然后通过梯度下降算法优化设计，将多级衍射效率提升了5倍，将均匀背景光场强度提升了14倍。进一步，基于多个纳米棒结构组成的像素单元、成功验证了其对多种不同输入光场分布参量的重建，为超构表面在光学领域的应用开辟了新途径。
基于超构表面的任意光场强度、相位、偏振单次曝光成像示意图
论文链接：https://academic.oup.com/nsr/article/12/3/nwae418/7907267
文/图： 包燕军
校对：杨嘉琳
责任编辑：邓玉萌
初审：肖艳芳
复审：孙玉环