热点应用丨基于单片超表面的太赫兹偏振测量技术

准确测定太赫兹（THz）波段的偏振态（SoP），可为安全通信、材料表征、无损检测及生物医学成像等新兴技术提供支持。传统太赫兹偏振仪常依赖旋转组件或序贯测量，这会引发机械不稳定性并增加采集时间。

为应对这些挑战，格拉斯哥大学的研究人员开发了一种基于单层硅微柱的单片超表面偏振仪（MSP）。该 MSP 的光学表征是通过工作在远红外波段的爱丁堡仪器 FIR-295 激光器完成的。MSP 可在单张图像中捕获所有偏振信息，无需移动部件，从而实现快速、紧凑且稳定的太赫兹偏振测量。这项研究成果已发表在《Optics Letters》期刊上。

图1 格拉斯哥大学研究人员实验装置的光学图像，展示了由 PL5 型 CO?激光器进行光泵浦的爱丁堡仪器 FIR-295 气体激光器。图片由格拉斯哥大学提供。

图2 校准与偏振态（SoP）测量所用装置的示意图。其中：BS 为非偏振分束器；PM 为功率计；LP 为线性偏振片；HWR/QWR 为半波 / 四分之一波片。图片经作者许可使用。

为校准系统，研究人员采用了一组明确的偏振态：水平（H）、垂直（V）、对角（D）、反对角（A）、右旋圆偏振（R）和左旋圆偏振（L）。通过记录这些输入偏振态对应的光斑强度，他们建立了一个参考矩阵（图 3）。借助该校准步骤，后续可从单张采集的图像中还原任意偏振态的完整斯托克斯参数（S1, S2, S3），无需使用移动部件或进行序贯测量。

图3 单片超表面偏振仪（MSP）在 6 种典型偏振态（水平 H、垂直 V、对角 D、反对角 A、右旋圆 R、左旋圆 L）入射下的校准测量结果：每个子图对应超表面后焦距 82 mm 处焦平面的探测强度，6 个相位函数对应的光斑按偏振态标注，设计的轴外位移 Δxy 为 3.88 mm。这些光斑的强度分布随入射偏振态变化，与论文中的仿真结果高度吻合。图片经作者许可使用。

该超表面偏振仪的偏振测量精度达 92.1%±4.2%，与时域有限差分仿真结果一致；FIR-295 激光器的高功率与光束质量，保障了探测器信号强度并缩短积分时间，使 “单次测量” 式偏振检测成为可能。这一成果推动了太赫兹计量技术的发展，实现了紧凑、机械稳定且能实时捕获全偏振态的偏振仪，验证了先进超表面光学与高性能太赫兹光源（如 FIR-295）结合的优势。