近日，清华大学深圳国际研究生院生物医药与健康工程研究院（iBHE）何宏辉副研究员、何永红教授课题组与牛津大学合作，在偏振光学领域实现突破。团队创新性地利用光学斯格明子结构光场，开发出一套针对复杂偏振像差的高精度表征与校正方案，为生物医学成像与文物材料分析等应用提供了新途径。
既往，传统光学元件和样品本身导致的偏振衰减（diattenuation）与相位延迟（retardance）严重影响了偏振测量的准确性。特别是长期被忽视的偏振衰减像差，即衰减器选择性吸收特定偏振分量，引起不可逆的光强损失和偏振态失真，极大限制了传统偏振校正技术的效果。何宏辉团队及其合作者提出以“光学斯格明子”作为偏振态探针。利用其偏振分布覆盖整个庞加莱球，可同时对光学系统的偏振响应进行全局采样与评估的特点，极大提升了偏振像差的探测、系统校正的效率和鲁棒性。该新型偏振光学操控技术，有望实现对偏振场的全域、动态和高精度控制。
图 1 分析经衰减介质后的光场斯格明子数值变化可明确判断系统是否仍具备全偏振态的保持能力
研究团队通过级联多个空间光调制器（SLMs），构建出可编程偏振调控模块，能够在微米尺度上动态生成并操控具有特定偏振分布的结构光场。该模块不仅可精准生成目标偏振态，还能有效补偿因光学元件或样品引入的偏振误差。为量化评估系统的偏振保持能力，团队引入拓扑学中的斯格明子数（Skyrmion Number; SN）作为评价指标。通过分析经衰减介质后的光场SN值变化，可明确判断系统是否仍具备全偏振态的保持能力，从而为偏振光学系统的设计与优化提供了明确边界及指导。在应用验证中，该方法成功应用于骨髓组织病理切片和古代朱砂颜料样本的偏振分析。实验表明，即便在存在明显衰减像差的条件下，该系统仍能有效恢复样品的真实偏振信息，显著提升了偏振测量数据的可靠性与准确性。
研究成果以Using optical skyrmions to assess vectorial adaptive optics capabilities in the presence of complex aberrations（“利用光学斯格明子评估复杂像差下矢量自适应光学系统性能的新方法”）为题，发表于Science Advances, 论文共同第一作者包括沈元星（清华大学深圳国际研究生院2018级生物医学工程专业硕士生）以及牛津大学博士生马逸飞、博士后赵子墨。论文通讯作者为何宏辉副研究员、北京大学罗琳教授、何永红教授、牛津大学何超教授。本研究同时得到了牛津大学光电主席马丁·布斯（Martin Booth）教授，以及牛津大学工程系副系主任斯蒂芬·莫里斯（Stephen Morris）教授等国际知名学者的支持。研究受到了国家自然科学基金重点项目以及英国皇家学会的资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adv7904
文：何宏辉
审核：陈超群、耿洪亚
