近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院何宏輝、何永紅團(tuán)隊(duì)與牛津大學(xué)合作，在偏振光學(xué)研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用光學(xué)斯格明子結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，開(kāi)發(fā)出一套針對(duì)復(fù)雜偏振像差的高精度表征與校正方案，為生物醫(yī)學(xué)成像與文物材料分析等應(yīng)用提供了新途徑。
傳統(tǒng)光學(xué)元件和樣品本身導(dǎo)致的偏振衰減（diattenuation）與相位延遲（retardance）嚴(yán)重影響了偏振測(cè)量的準(zhǔn)確性。特別是長(zhǎng)期被忽視的偏振衰減像差，即衰減器選擇性吸收特定偏振分量，引起不可逆的光強(qiáng)損失和偏振態(tài)失真，極大限制了傳統(tǒng)偏振校正技術(shù)的效果。何宏輝、何永紅團(tuán)隊(duì)及其合作者提出以光學(xué)斯格明子作為偏振態(tài)探針，利用其偏振分布覆蓋整個(gè)龐加萊球、可同時(shí)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的偏振響應(yīng)進(jìn)行全局采樣與評(píng)估的特點(diǎn)，極大提升了偏振像差的探測(cè)、系統(tǒng)校正的效率和魯棒性。該新型偏振光學(xué)測(cè)量技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)偏振場(chǎng)的全域、動(dòng)態(tài)和高精度控制。
分析經(jīng)衰減介質(zhì)后的光場(chǎng)斯格明子數(shù)值變化可明確判斷系統(tǒng)是否仍具備全偏振態(tài)的保持能力
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)空間光調(diào)制器（SLMs），構(gòu)建出可編程偏振調(diào)控模塊，能夠在微米尺度上動(dòng)態(tài)生成并操控具有特定偏振分布的結(jié)構(gòu)光場(chǎng)。該模塊不僅可精準(zhǔn)生成目標(biāo)偏振態(tài)，還能有效補(bǔ)償因光學(xué)元件或樣品引入的偏振誤差。為量化評(píng)估系統(tǒng)的偏振保持能力，團(tuán)隊(duì)引入拓?fù)鋵W(xué)中的斯格明子數(shù)（Skyrmion Number; SN）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過(guò)分析經(jīng)衰減介質(zhì)后的光場(chǎng)SN值變化，可明確判斷系統(tǒng)是否仍具備全偏振態(tài)的保持能力，從而為偏振光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了明確邊界及指導(dǎo)。在應(yīng)用驗(yàn)證中，該方法成功應(yīng)用于骨髓組織病理切片和古代朱砂顏料樣本的偏振分析。實(shí)驗(yàn)表明，即便在存在明顯衰減像差的條件下，該系統(tǒng)仍能有效恢復(fù)樣品的真實(shí)偏振信息，顯著提升了偏振測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。
研究成果以“利用光學(xué)斯格明子評(píng)估復(fù)雜像差下矢量自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)性能的新方法”（Using optical skyrmions to assess vectorial adaptive optics capabilities in the presence of complex aberrations）為題，發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）期刊。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2021屆碩士畢業(yè)生沈元星和牛津大學(xué)2021級(jí)博士生馬逸飛、博士后趙子墨為論文共同第一作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院副研究員何宏輝、北京大學(xué)教授羅琳、清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院研究員何永紅、牛津大學(xué)教授何超為論文通訊作者。牛津大學(xué)光電工程學(xué)科方向主席、教授馬丁·布斯（Martin Booth），牛津大學(xué)工程系副主任、教授斯蒂芬·莫里斯（Stephen Morris）等學(xué)者對(duì)研究給予了支持。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目以及英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的資助。
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https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv7904
