北航新闻网1月20日电（通讯员 王俊杰）偏振方向表征是光学传感、精密检测、导航定位、生物医学成像等领域的核心基础技术。传统方法自19世纪马吕斯定理提出以来，普遍依赖机械旋转，难以满足动态场景（如高速目标检测）、宽波带场景（如导航、肿瘤早期筛查）的实际需求，成为制约相关行业技术升级的关键卡点。北航自动化学院张蓓老师课题组深耕全空间涡旋偏振表征领域，依托全空间调制与涡旋光学核心技术，完成了数项原创研究成果，涵盖核心传感模块硬件研发、宽域场景突破及理论体系梳理，相关成果均具备完全自主知识产权，为偏振方向表征技术的全面升级提供了系统性解决方案。

偏振方向测量技术系统性梳理与综述研究

本课题组全面梳理并界定偏振方向测量技术自19世纪以来的演进路径与技术谱系，突破以往研究局限于单一技术或领域的碎片化视角，构建了以“相对测量”和“绝对测量”为框架的多技术分类体系。作为首篇关于偏振方向检测的系统性综述性文章，该工作厘清了该技术两个多世纪以来的跨学科发展脉络和应用场景需求，为偏振表征仪器的研发提供路径指引，同时定义了各应用场景的最佳技术选择参考建议。该工作以《A Taxonomic Review of Polarization Direction Metrology: From Rotating Malus to Vortex Devices》为题发表在检测与仪器类著名期刊《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》。该工作主要由2023级硕士生单晨宁完成。

图1.六种偏振方向测量技术系统性梳理

无需机械旋转、“即插即用”式偏振方向测量模块

课题组基于无需机械旋转、模块化、瞬态表征的理念，结合全空间调制技术，基于角向偏振片设计集成式测量模块，创新性地实现了硬件模块、识别算法的“即插即用”，打破了传统系统中器件的复杂耦合关系，结合原创性图像处理算法，实现偏振方向的瞬态、精确表征。该成果推动偏振检测技术摆脱机械旋转依赖，为小型化、便携式全空间偏振方向表征仪器的研发奠定核心硬件基础，可直接作为此类仪器的核心传感模块，也为后续宽波带涡旋偏振技术的拓展及仪器升级提供核心支撑。本工作以《Plug-and-Play Typed Polarization Direction Indicator by Azimuthal Polarizer》为题发表在《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》，主要由2021级硕士生朱昕昀完成。

图2.无需机械旋转、“即插即用”式偏振方向测量模块

打破涡旋波片的波长敏感局限，实现宽波带偏振方向测量

众所周知（近10年的一个热门技术），涡旋波片具备独特的偏振调制性能优势，但严重的波长敏感问题，使其与导航、肿瘤检测等实际场景的宽波带需求形成矛盾，成为技术落地及仪器化应用的核心障碍。针对这一问题，课题组首次将涡旋波片引入到宽波带测量领域，构建宽波带的涡旋偏振方向指示器（Broadband Vortex-PDI）模块，建立了Vortex-PDI在宽波带场景下的色散模型，验证了机理可行性，并完成了该实验的完备证明。该研究突破了涡旋波片的波长敏感限制，将偏振方向测量技术从窄波段拓展至宽波带领域，可直接集成于各类宽波带偏振检测仪器，适配上述实际产业场景，解决了涡旋波片和涡旋空间调制技术“实验室可行、应用受限”的痛点。该工作以《Vortex Retarder Allows Broadband Polarization Direction Indicator》为题发表在《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》，主要由2021级硕士生朱昕昀完成。

图3. Vortex-PDI模块应用到宽波带偏振方向测量领域

偏振方向的拓展性工作

作为全空间涡旋偏振方向系列研究的延伸，课题组持续拓展研究边界，围绕仪器化应用开展两项关键工作，进一步延伸偏振方向测量技术的应用维度：一是将核心技术拓展至椭偏方向，成功实现椭偏的单步瞬态表征（成果见IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement@2025），为椭偏领域的偏振方向精准测量提供全新技术路径；二是拓展至多光谱领域，研发全空间调制的多光谱椭偏仪，既丰富了偏振检测仪器的产品形态，也推动涡旋偏振测量技术在多光谱场景下的应用拓展。

图4.拓展（1）：实现椭偏的单步瞬态表征；拓展（2）：全空间调制的多光谱椭偏仪

为加速技术转化与仪器推广，上述系列成果及延伸研究涉及的仪器设备、算法软件、实验数据等资源，课题组均开放共享，诚邀国内外同行携手合作，合力推动相关仪器的产业化落地与多场景规模化应用。

论文原文链接：

工作一：https://ieeexplore.ieee.org/document/11151609

工作二：https://ieeexplore.ieee.org/document/9976284

工作三：https://ieeexplore.ieee.org/document/10589671

工作四：https://ieeexplore.ieee.org/document/11108961

（审核：郑征）

编辑：贾爱平