中国研究员提出基于光场扫描多距离相位检索的超透镜相位表征新方法

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复旦大学，香港城市大学和清华大学

（映维网Nweon 2024年08月08日）超透镜是一种由超原子组成的光学超表面，可用于控制入射光的振幅、相位和偏振。与传统的折射透镜不同，超透镜可以将波前从平面调制为球面。由于其新颖的物理特性和广阔的应用前景，超透镜引起了广泛的关注。

计算全息术的基本问题在于确定光强测量中缺失的相位信息。作为一种相位调制的光学功能元件，相位分布是超透镜的关键参数。但在光学频段内，相位分布很难直接测量。目前表征超透镜的主流测量方法是光场扫描和电子显微镜，而不是测量相位。然而，所述方法不能直接提供超透镜的相位响应。

针对这个问题，复旦大学，香港城市大学和清华大学进行了合作，并提出了一种基于光场扫描多距离相位检索的超透镜相位表征新方法。

这种创新的方法成功地克服了传统干涉测量技术依赖于光源相干长度和光路稳定性的局限性。利用团队提出的解决方案，他们对近红外超透镜的相位分布进行了定量测量，并首次成功观察到超透镜工作介质变化引起的相位变化。

为了更全面地表征超透镜的性能，精确的相位测量必不可少。现有的测量超透镜相位的方法包括四波横向剪切干涉法和离轴干涉法，这两种方法都适用于可见光波段的测量。

四波横向剪切干涉法方法是通过使用二维光栅实现，光栅将入射波前在成像平面的不同位置、不同入射方向分离为四个不同的部分，并相互干涉。干涉图给出了测试波前的相位梯度信息，然后通过路径积分推导出相位分布。但这种方法面临着减轻光栅本身影响的挑战，并且遇到了较低的能量利用效率。光栅的高阶衍射和路径积分过程会给系统带来误差。

离轴干涉测量则包括引入离轴参考光束。光束与样品光束相干干涉，从而允许测量样品的相位分布。不过，这种方法需要建立一个相对复杂的光学装置，并对光源的相干性有严格的要求。

在研究中，复旦大学，香港城市大学和清华大学团队开发了一个使用多距离相位检索的超透镜相位测量系统。

他们提出的方法可以通过测量样品出口平面不同距离处的光强分布来计算相位分布。利用这种方法，研究人员测量了一个在近红外波段工作的超透镜和另一个在405 nm波段工作的超透镜。

系统从强度图中提取相位，对激光相干性的要求最低，使其能够在各种介质和波长应用。在检索相位之后，可以确定所有其他光学特性，例如焦距和波像差。

另外，团队同时测量了浸泡在乙醇中与浸泡在空气中的超透镜的相位调制变化。针对系统，他们引入了一种基于仿真的收敛性和鲁棒性分析范式，可以解决不同样本情况下对测量系统稳定性和数据的不同要求。

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团队总结道，与其他超透镜相位表征方法相比，所提出的系统具有以下优势：

• 与离轴数字全息不同，系统不受光源相干长度的限制。

• 系统不需要构建复杂的光路，更具成本效益。

• 与波前传感器相比，系统不需要引入衍射光栅进行分光，从而提高了能量利用率，并避免了光栅形态的影响。