11月29日，武汉光电国家研究中心陈林教授研究小组在《纳米快报》（NANO LETTERS）发表最新研究进展"High-resolution metalens imaging polarimetry"。

偏振定义为振动方向对于传播方向的不对称性，是光的一项基本属性。通过测量光的偏振态，我们能够获取物体的表面形状、纹理和双折射特性等一系列与光偏振紧密相关的信息。这对于各种科学领域，特别是在显微成像领域具有重要意义。传统的偏振成像系统由大量偏振光学元件和机械结构组成，导致器件体积大，时间分辨率受限。

近年来，利用超构表面出色的偏振光场调控能力，可以设计出紧凑的偏振成像仪。其中，利用偏振依赖的超构表面光栅和分焦面超构透镜的设计的偏振成像仪仍需要依赖额外的光学系统。特别对于分焦面超构透镜，每个超构透镜的尺寸必须足够大，以减小相邻超透镜之间的串扰，从而精确记录入射光偏振信息。因此，其器件分辨率受到严重限制。最近，一种采用分区排布的超构透镜被用于设计偏振成像仪，无需额外的光学元件即可实现偏振成像。然而，其中物体和分区的超表面透镜之间的光学路径必须几乎相等以精确反映物体的偏振信息（图1a），导致基于分区排布超构透镜设计的偏振成像仪的数值孔径十分受限，仅能实验上获得分辨率最高为工作波长5.8倍的偏振成像。

图 1. 超构表面偏振成像仪。 (a) 分区排布超构表面偏振仪。 (b) 间隔排布超构表面偏振仪。

在此研究中，研究人员提出了一种交错排布的超构透镜用于偏振成像。在超构透镜当中，相邻的三排超构透镜单元分别调控入射光的三对正交偏振态（图1b）。物体和相邻三排超表面单元之间的光程几乎相等，因此可以保证准确记录物体散射光偏振态的同时，实现数值孔径不受限的超构表面偏振成像仪。

实验上，研究人员使用单晶硅设计了针对波长为632.8nm，数值孔径0.51的超构透镜偏振成像仪（图2a,b），在实验上获得了1.2倍工作波长的成像分辨率。使用非偏振光入射超表面，在焦面上可以观察到六个不同偏振态的焦点（图2c）。在成像分辨率验证实验中，该研究设计的偏振成像仪可以清晰地分辨美国空军1951年分辨率测试负板中第4组的第5和第6个线对图案（图2d），以及第7组的第3-第6个线对图案（图2e）。

图 2. 间隔排布超构透镜偏振成像仪器件表征和分辨率板成像结果. (a, b) 扫描隧道电子显微镜图片。 (c) 非偏振光入射超构透镜时焦面上的光场分布。(d) 六个偏振通道的第4组的第5和第6个线对图案的成像结果。 (e) 六个偏振通道的第7组的第3-第6个线对图案的成像结果。

进一步的，研究人员使用设计的高分辨超构透镜偏振仪对石英块（图3a）、塑料尺（图3b）和鱼鳃装片（图3c）进行偏振成像观测。实验证明该器件可以清晰地对物体微观结构进行成像的同时，记录物体的全斯托克斯参量信息。这项研究为高分辨率超构透镜偏振成像提供了一个可行的解决方案，在包括遥感、天文学和生物检测等领域中具有广泛的应用潜力。

图 3. 全斯托克斯参量成像实验。 (a) 石英块成像结果。 (b) 塑料尺成像结果。 (c) 鱼鳃装片成像结果。

这项工作得到了中国国家重点研发计划（GrantNo.2021YFB2801903）、中国国家自然科学基金（GrantNo.12074137）和深圳市科技创新委员会（GrantNo.JCYJ20220530161010023）的支持。研究中心博士生黄昭锐、中山大学博士生郑雅芹为共同第一作者，研究中心陈林教授、中山大学周张凯教授担任通信作者。此外，论文合作者还包括研究中心李君浩博士,华中科技大学王健教授，武汉科技大学程用志教授参与了该项工作。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acs.nanolett.3c03258