在高分辨率成像和生物醫(yī)學診斷等前沿領(lǐng)域，斯托克斯偏振成像技術(shù)猶如一把“利器”，能高效獲取豐富的光學信息。然而，傳統(tǒng)的偏振成像系統(tǒng)卻面臨著諸多棘手難題。其操作波長受限，難以在寬波段范圍兼容，并且光學設計繁雜，還容易出現(xiàn)偏振交叉干擾的情況。于是，開發(fā)波長不敏感的偏振成像系統(tǒng)，成了提升偏振圖像質(zhì)量、拓展其應用范圍的關(guān)鍵任務。

    為攻克這些難題，相關(guān)研究團隊創(chuàng)新性地提出了一種基于級聯(lián)超表面的波長不敏感快照斯托克斯偏振成像方法。該方法借助幾何相位超表面，達成了波長無關(guān)的單次曝光斯托克斯偏振成像。具體而言，是將兩層幾何相位超表面偏振光柵以級聯(lián)的方式配置于4f成像系統(tǒng)內(nèi)。如此一來，便可實現(xiàn)兩個自旋分量的分離與交叉干擾，同時運用數(shù)字全息干涉法來獲取光場的相位和幅度信息。這一方法極為巧妙，它能夠在不同波長以及低相干光源的條件下，精準完成偏振測量，完全無需擔憂波長漂移和錯位問題。

    實驗結(jié)果充分驗證了該方法的有效性。實驗中，系統(tǒng)能夠在單次曝光里成功獲取四個強度圖像，并且通過數(shù)字全息法準確計算出兩個自旋分量的相位延遲，進而順利獲得斯托克斯向量信息。在不同波長（473、552、633nm）的測試中，偏振光的S3變化與理論預測高度吻合，彰顯出系統(tǒng)出色的波長穩(wěn)定性。同時，在500-900nm波段范圍內(nèi)，光束分離比均勻一致，經(jīng)實驗測得系統(tǒng)分辨率為25.39lp/mm，與理論值相符。

    此研究的創(chuàng)新之處在于將算法與硬件設計有機結(jié)合。與傳統(tǒng)多波長偏振成像系統(tǒng)相比，該方法無需復雜的結(jié)構(gòu)設計，也不用進行精確的波長校正，成功解決了波長依賴性問題。這種方法在構(gòu)建高速度、低功耗、易集成的偏振成像系統(tǒng)方面極具潛力，在生物醫(yī)學診斷、材料表征和遙感探測等眾多領(lǐng)域都能大顯身手。畢竟，緊湊型、單次曝光且精確的斯托克斯偏振成像儀，在從遙感到生物診斷的各個領(lǐng)域都備受期待。近年來，基于超表面平臺的偏振成像技術(shù)發(fā)展迅猛，推動著相關(guān)技術(shù)和成像儀不斷革新。不過，以往的突破在單一工作波長以及超表面復雜性上存在較大局限。而此次提出的級聯(lián)超表面策略，可謂另辟蹊徑。

    該級聯(lián)超表面架構(gòu)是將二維和一維偏振光柵進行級聯(lián)，并通過一維偏振光柵的縱向位移引入線性相位變化，以此實現(xiàn)偏軸干涉。雖說超表面需集成到4f系統(tǒng)并配置于成像系統(tǒng)中，這與光柵型偏振成像儀類似，但好處是降低了對超表面制造的要求。對于集成鏡頭的偏振成像儀和集成芯片的成像傳感器而言，往往需要大孔徑超表面來提升數(shù)值孔徑和視場，然而制造大規(guī)模、具備高偏振消光比和低偏振串擾的幾何變化納米結(jié)構(gòu)，一直是個極大的挑戰(zhàn)。但該級聯(lián)超表面架構(gòu)就不存在這樣的困擾，由于光柵具有平移不變性，干涉儀能夠輕松與各類成像系統(tǒng)集成，完全不用擔心超表面錯位問題。而且，該架構(gòu)不再限制入射光束的角度，在斜入射情況下也能正常工作，不會額外引入測量誤差。另外，通過調(diào)節(jié)兩個超表面之間的間隔，還能靈活調(diào)控干涉圖樣周期，以適配不同的應用場景以及具有不同成像分辨率的圖像采集儀器。

    值得一提的是，該方法能夠同時測量左旋圓偏振（LCP）和右旋圓偏振（RCP）分量的幅度和相位延遲，進而獲取樣品圓偏振雙折射的復折射率，這對于表征圓二色性意義重大。LCP和RCP分量之間的相位延遲通過數(shù)字全息成像（DHI）獲得，從高精度相位信息中可直接推導出方向角，有效避免了間接測量導致的誤差積累。當然，和所有偏振成像方法一樣，該方法通過偏振通道劃分，成像視場會有所損失；若利用克拉默斯-克羅尼格關(guān)系解決數(shù)字全息成像問題，干涉儀的空間帶寬乘積有望進一步提高。目前，由于硅材料的吸收以及元原子的半波長調(diào)制效應，該系統(tǒng)在整個可見光范圍內(nèi)的效率存在波動，這對偏振成像的信噪比產(chǎn)生了一定影響。不過，若采用低吸收材料如TiO?，并優(yōu)化元原子使其具有平坦的半波長延遲，這一效率問題便能得到有效解決。

    這種級聯(lián)超表面策略，成功攻克了基于超表面的偏振成像中的操作波長難題。借助最簡偏振光柵引發(fā)的光學自旋霍爾效應，級聯(lián)超表面架構(gòu)可在不依賴波長的情況下實現(xiàn)自旋分裂和干涉，進而通過數(shù)字全息成像完成單次曝光斯托克斯偏振成像。研究團隊已在多個波長以及低相干光照射條件下，驗證了該架構(gòu)的可行性與魯棒性，這也預示著該方法在生物診斷等應用領(lǐng)域，有著精準分辨分子空間位置和角度方向的巨大潛力。具體操作過程中，物體被放置在成像系統(tǒng)的輸入平面，干涉儀則在成像平面上生成四個強度圖像，分別對應LCP和RCP的分離強度圖像，以及交叉偏振干涉圖像。通過將這四個強度圖像與數(shù)字全息干涉法相結(jié)合，就能同時得到兩個自旋分量的幅度和相位延遲，從而精準獲取偏振信息。