郑淑君同学在偏光全息应用研究中取得新进展
近年来，具有空间偏振态分布和螺旋相位分布的光束被提出及广泛研究。如标量涡旋光场、矢量光场以及矢量涡旋光束在光束操纵方面提供了更多的自由度。对这类光束的制备方法也层出不穷。郑淑君提出了一种不同寻常的方法，即基于偏光全息术产生携带轨道角动量且偏振分布不均匀的特殊光束，该方法通过设置旋转器件的不同速度就可以产生特殊光束(如矢量光束、标量涡旋光束和矢量涡旋光束)。通过采用偏光全息术来生成这三种光束为同时调控光的振幅、相位和偏振提供了可能。 当信号光和参考光的夹角为 90° 时，任意的偏振态和相位信息均可以通过参考光为 p 偏振光来实现忠实再现。实验中使用菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯(PQ/PMMA)作为记录材料。图1为实验装置图。在信号光路上，沿垂直方向调整偏振片(P1)，以保证出射光为 s 偏振。四分之一波片(QWP)的快轴与水平方向的夹角为 45°，以保证 s 偏振光通过 QWP 后偏振态为右旋圆偏振。半波片(HWP)，半波片(P2)的快轴和狭缝(slit)分别以方位角为 jH，jP 和js 依次放置在电动旋转平台(THORLABS, KPRM1E/M)上，由软件控制，保证 HWP 和 P2 与狭缝的转速比。 |
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| 图1. 产生特殊光束的实验装置，其中 HWP 是半波片，QWP 是四分之一波片，P 是偏振片，L 是透镜。材料为立方型偏振敏感聚合物材料(PQ/PMMA)。上面的装置用于制备矢量涡旋光束和矢量光束，左下角的装置用于制备标量涡旋光束。它们之间的主要区别在于 P2 是否旋转。 | |
HWP、P2 和狭缝的快轴方位角与它们对应的角速度的关系分别为： |
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(1) |
其中，wH，wP 和ws 分别表示 HWP、P2 和狭缝的角速度，t 表示时间，jH0，jP0 和js0 分别表示 HWP、P2 和狭缝的初始方位角。 当归一化 s 偏振光连续通过 QWP、HWP 和 P 后得到的输出光波的表达式与矢量涡旋光束的表达式对应后可得： |
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(2) |
其中，l 指光束的拓扑荷数，p 指光束的偏振阶数，G(r) 表示光束的振幅，q0 是光束偏振态的初始角。从方程式(2)可以看出生成的矢量涡旋光束的 l 和 p 的值取决于 P、HWP 和狭缝的角速度。若 l=0，上式则简化为矢量光束；若 p=0，上式则简化为标量涡旋光束。并且根据偏振阶数 p 以及 P 和狭缝的不同初始方位角，得到的矢量涡旋光束、标量涡旋光束和矢量光束的初始角 q0 也不同。不同的初始角度决定了光束在杂化庞加莱球或高阶庞加莱球或普通庞加莱球赤道上的位置。 而对于矢量涡旋光束的偏振阶数和拓扑荷数的检测方法是采用干涉法。不同的是，对于矢量涡旋光束或矢量光束是将其看成两个正交圆的标量涡旋光束的合成，进而分别干涉后观察叉形光栅数目和方向是否符合理论分解结果。 |
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| 表1. 实验中产生的不同标量涡旋光束对应的实验参数和光功率 | |
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| 表2. 实验中产生的不同光束对应的实验参数和光功率 | |
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在验证理论的实验中，记录并再现了四种不同 l 值的标量涡旋光束和一阶的矢量光束以及二种不同偏振阶数和拓扑荷数的矢量涡旋光束（这里介绍其中一种）。实验参数分别如表2和表3所示。图2显示了模拟和实验制备的标量涡旋光束在 z=75mm处的强度分布以及实验制备的标量涡旋光束与平面波之间的干涉结果。结果表明，实验制备的标量涡旋光束确实具有螺旋相位。由于 P2 的初始方位角为 45°，因此所有生成的标量涡旋光束的偏振态都对应于基本庞加莱球点(p/2,0)位置处的偏振态。 |
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| 图2. 位于基本庞加莱球的(p/2, 0)处 l=-2、-1、+1和+2的标量涡旋光束的 模拟结果、实验结果和实验干涉图案 |
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在产生矢量涡旋光束或矢量光束的实验中，再现光的验证分为两个步骤。通过一个不同的通光轴放置的 P，再现光束的偏振分布被表征和验证。另一方面通过干涉法进一步验证。在图3中，我们展示了 l=-1和 p=+1的矢量涡旋光束在 z=0mm的强度分布，以及在通过 P 方向分别为 0°、30°、60°、90°、120°和150°后的强度分布，并将强度分布与模拟结果进行比较。由于实验中 P2 和狭缝的初始方位角相差 p/3，即 q0=p/3，制备的矢量涡旋光束是位于杂化庞加莱球(l=-1 和 p=+1) 上的(2p/3, 0)点的矢量涡旋光束。此外，矢量涡旋光束分别和左旋和右旋圆偏振平面波干涉结果证明实验制备的光束符合理论的矢量涡旋光束。图4展示的是 p=+1 的纯矢量光束在 z=0mm相应的实验和模拟结果。由于实验中 P2 和狭缝的初始方位角相差 2p/3, 0，即 q0=3p/2，制备的矢量光束是位于高阶庞加莱球(p=+1 )上的(4p/3, 0)点的矢量光束。其结果与模拟和理论推导的结果也一致。 |
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| 图 3. 杂化庞加莱球(l=-1 和 p=+1)球面上(2p/3, 0)处的矢量涡旋光束结果。通过不同方向的P的实验和模拟结果。右侧的结果是实验得到的矢量涡旋光束分别与右旋和左旋圆偏振平面波干涉图案 | |
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| 图4. 高阶庞加莱球(p=+1)球面上(4p/3, 0)处矢量光束的结果。通过不同方向的 P 的实验和模拟结果。右侧的结果是实验得到的矢量光束分别与右旋和左旋圆偏振平面波干涉图案 | |
从以上实验结果可以看出，得到的实验结果和模拟结果吻合，验证了该装置具备生成任意拓扑荷数的标量涡旋光束、任意偏振阶数的矢量光束和任意拓扑荷数和偏振阶数的矢量涡旋光束的可行性。基于偏光全息的特殊光束制备系统可以生成不同类型的光束，大大降低实验装置的体积和成本。此外，通过普通组件产生特殊光束对于光子相关研究具有基础和技术意义，为未来的研究和应用打开了新的窗口。同时，记有特殊光束的材料还可以看作一器件来使用，在材料性能允许下，其有望步入市场。 |
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相关的研究成果以“Simple method for generating special beams using polarization holography”为题，整理发表在美国光学学会(The Optical Society of American, OSA)期刊杂志 Optics Express, Vol. 30, No. 10, 16159-16173 (2022) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.453890 |
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(2022.04.26)
