齐沛良同学和杨毅老师在偏光全息应用研究中取得新进展
偏振是光波的本性之一，在成像、诊断以及材料等领域发挥着重要的作用。因此，确定光波的偏振态非常重要。我们通常使用四个斯托克斯参数来描述光波的偏振态。在传统的斯托克斯参数测量方法中，需要使用一些适当排列的偏振片和四分之一波片，我们通过测量待测光波穿透这些偏振元件的光强来计算待测光波的斯托克斯参数。然而，传统的斯托克斯测量方法涉及多个测量步骤，这是一个相对繁琐的测量过程。 在本文中，我们提出了一种利用张量偏光全息理论同时表征光波斯托克斯参数的新方法。在这种方法中，我们利用张量偏光全息理论在偏振敏感材料中记录四个偏振全息图，令这四个偏振全息图分别起到类似于 0°、45°、90° 偏振片和 0° 偏振片与四分之一波片联立的功能。这使得我们可以通过记录好的偏振敏感材料来实现对待测光波斯托克斯参数的测量。图1（a）为该研究的实验装置。 |
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| 图1.（a）实验设置图。BE 是扩束器，M 是反射镜，HWP 是半波片，QWP 是四分之一波片， PBS 是偏振分束器，BS 是分光器，POL 是偏振器，BT 是光束终止器，SH 是快门， PM 是功率计。（b）记录过程。（c）重建过程。 |
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在记录过程中，我们将四张专门设计好的不同记录条件下的偏振全息图记录在偏振敏感材料的同一区域上，如图1（b）所示。在重建过程中，当待测光照亮记录好的偏振敏感材料时，由于耦合波理论中的布拉格匹配条件下的角复用技术，我们将同时在材料后方观测并捕获四个不同方向的再现光，如图1（c）所示。最后，通过测量四种再现光的衍射效率，我们确定待测光的斯托克斯参数。读取光为线偏振光和非偏振光时的实验结果分别如图2，图3所示。 |
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| 图2.（a）一部分待测读取光的偏振态通过椭圆参数（Ψ 和 χ ）表示。（b）该组实验中使用的 读数光为从 χ = 0°，Ψ 从 0° 开始，每次顺时针旋转10°，总共旋转 360°。也就是说， 在该组实验中使用了 18 种不同的线偏振光作为读取光。（c）通过归一化衍射效 率计算得到的斯托克斯参数的实验值和理论值在庞加莱球面上的分布情况。 |
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| 图3. 当读取光为非偏振光时，通过归一化衍射效率计算得到的斯托克斯参数的 实验值和理论值在庞加莱球面上的分布情况。 |
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实验结果表明，使用本文所提出的方法测量出的归一化斯托克斯参数的平均误差约为 0.090。此外，由于实验所使用的偏振敏感材料（PQ/PMMA）价格低廉，因而这种方法的成本较低。同时，由于该方法只需要一次测量就可以获得待测光波所有的斯托克斯参数，而无需使用额外的偏振元件，因此是非常简单和方便的。此外，该方法只需要一小块面积的偏振敏感材料来测量斯托克斯参数，这表明该方法可以在未来小型化场景中使用。 |
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上述研究成果以“Simultaneously characterize Stokes parameters of lightwave utilizing tensor polarization holography theory”为题，整理发表在美国光学学会 (The Optical Society of American, OPTICA) 期刊杂志 Optics Express, Vol.30, No.26, 47264-47279 (2022) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.472855 |
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(2022.12.13)
