偏振、相位、振幅和频率是描述光波的基本参数，光的偏振和相位信息的实时测量在光学中是非常重要的。然而，目前大多数光电探测器仅对光强敏感，这使得传统的偏振和相位检测系统复杂、笨重且难以集成。超表面是具有亚波长特征的超薄二维超材料，可以灵活地操控光的振幅、相位和偏振态，因此可以用来开发紧凑型光学器件来取代传统的光学元件，从而产生高度集成且极其紧凑的光学系统。与等离子体超表面相比，介质超表面的透射损耗更小，更适合于可见光和近红外波段。超透镜作为基于超表面的光学领域的研究热点之一，与传统的透镜相比，具有结构紧凑、无球面像差等优点。介质平面超透镜的制造简单，易于集成，可以作为传统折射透镜和衍射透镜的替代或补充，有利于实现高性能光学设备和系统的进一步小型化。
近期，华中科技大学夏金松教授和杨振宇教授课题组在期刊Photonics Research，2020年第8卷第4期中介绍了一种高效、紧凑的光学多参量探测系统（图1），并入选Editors’ Pick，该系统基于具有2 × 2子阵列超透镜的Hartmann-Shack阵列，工作波长1550 nm。该系统不仅可以通过对焦点振幅的检测来实现高效、准确的测量光束的空间偏振，而且还可以通过对焦点位移的分析来测量光束的相位梯度和相位分布。论文链接为：http://www.osapublishing.org/PRJ/abstract.cfm?uri=PRJ-8-4-482。
图1.高效紧凑的光学多参量探测系统的示意图
该光学多参量探测系统由全介质超透镜阵列和相机组成，超透镜阵列包含多个像素，每个像素包含四个不同的超透镜，可以从入射光束中分离出四个不同偏振分量并汇聚到相机上。根据每个焦点的位置和强度信息，可以得到光束的相位和偏振态。通过设计和优化每个超透镜的晶格单元，可以获得48%的平均聚焦效率。在实验中，作者首先用一个像素精确地描述了22种不同入射偏振光的偏振态，理论计算结果与实验结果的平均相对误差仅为4.24%。然后检测了两个具有非恒定偏振态的光束（径向偏振光束和方位角偏振光束，图2）和具有螺旋波前的20阶涡旋光束（图3），证明其同样适用于具有复杂偏振态和波前的光束。
图2.两种矢量光束的偏振态探测与重建
图3.涡旋光束的相位探测与重建
该光学多参量探测系统结构紧凑、小型化，能够实现对入射光束的偏振态和波前分布实时检测，同时通过用另一种介质代替硅，工作原理可以转移到其他工作波长，在光学探测、成像、传感等领域具有重要的应用潜力和价值。
武汉光电国家研究中心的博士生王玉西和光学与电子信息学院的博士生汪肇坤为该论文的共同第一作者，该研究得到了区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、国家自然科学基金委等项目支持。
