林阿愿同学在偏光全息研究中取得新进展
在偏光全息中，正交再现是指再现光的偏振态与信号光的偏振态正交。因此，再现光与信号光是完全不同的。正交再现是证明偏光全息可以自由调控再现光偏振态的关键现象。然而到目前为止，关于正交再现的研究还很少。在这项工作中，林阿愿基于张量偏光全息理论推导了当信号光和参考光之间在材料内部的角度为120°和150°时，实现正交椭圆偏振记录偏光全息正交再现的条件。此外，还发现上述角度是观察正交再现的关键。这一工作不仅完成了张量偏光全息理论的预测，而且验证了偏光全息具有自由调控再现光偏振态的能力。 文中任意选取了一组数据进行了数值模拟，以观察实现正交再现与记录角度之间的关系，数值模拟结果如图1所示。 |
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| 图1 随着记录角度的变化，正交再现的系数和读取光m/n值的变化情况 |
由上图可知，当记录角度小于90°时，系数接近甚至小于0。当系数接近0时，意味着再现光的功率非常低，可以视为零再现。当系数小于0时，这表示信号光与再现光之间可能存在π的相位差。然而，在实验中所测量的参数为功率的大小，因此振幅系数小于0不会影响实验结果。当记录角度大于90°时，正交再现系数随记录角度的增大而增大。这意味着大角度有利于观察正交再现。 基于对数值模拟的分析，实验中选择了120°和150°作为记录角度。由于PQ/PMMA在532nm处的折射率约为1.51，因此信号光和参考光将从材料的两面分别进入。为了防止被材料表面反射的读取光进入再现光的传播路径，采用了非对称入射的方式。 验证正交再现的实验装置设置如图2所示。 |
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| 图2 实验装置示意图。M：反射镜；HWP：半波片；QWP：四分之一波片；P：偏振片；PBS：偏振分束棱镜；BS：分束棱镜；SH：快门；PM：功率计；PQ/PMMA：记录材料 |
记录阶段持续5s，信号光和参考光是两束正交的椭圆偏振光。接着，用具有特定偏振态的光进行读取，该阶段持续0.5s。材料内部的记录角度分别为120°和150°，验证正交再现的实验结果如图3所示。 |
 
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| 图3 正交再现的实验结果。(a)记录角度为120°；(b)记录角度150° |
当记录角度为120°时，随着曝光时间的增加，再现光中s分量和p分量功率变化情况如图3(a)所示。此外，还根据上述功率计算出了Ps/Pp的变化情况。虽然再现光的功率只有几微瓦，但实验中环境光的功率仅为50nW，因此实验结果是可靠的。当曝光时间约为5.8 s时，如图3(a)中M点所示，Ps/Pp约为0.56。理论上，当实现正交再现时，再现光的s分量与p分量的功率比应为0.5，这与M点所代表的功率比值并不相同。在实验中，当未放置材料时，信号光的Ps:Pp为2:1。由于曝光导致记录材料的各向异性，当放置上曝光过的材料后，上述值变为1.8。因此当实现正交再现时，再现光的s分量与p分量功率之比应为1/1.8，即为0.56。因此，可以认为在M点达到了所期望的理论值。同理，在图3(b)中，给出了记录角度为150°时的实验结果。当放置上曝光过的材料后，信号光的Ps:Pp变为1.9。因此，当实现正交再现时，再现光的s分量与p分量之比应为1/1.9，即0.53。由图3(b)可知，当曝光时间约为6.6s时，如点N所示，功率比为0.53。 接着，检查再现光在M点和N点的旋向。文中将旋向的检测转换为对功率变化情况的检测。理论上，当偏振片顺时针旋转时，功率将减小到最小值，然后增大。实验结果与预测结果吻合较好。综上所述，可以认为实现了正交再现。此外，实验结果表明,记录角度越大，再现光功率也越大，这与图1所示的曲线一致。 为了理论的完整性，文中还介绍了正交线偏振记录实现正交再现的研究情况，给出了实现正交圆偏振记录实现正交再现的条件。 基于以上分析，文中认为正交再现与忠实再现和零再现一样，是偏光全息中一个普遍存在的再现情形。在这项工作中，观察到了偏光全息中的正交再现，其中信号光和参考光是正交椭圆偏振的。正交再现不仅是偏光全息中的常见现象，而且对于验证偏光全息是否可以自由操纵再现光的偏振态也非常重要。除此之外，还发现观察正交再现的关键是信号光和参考光之间的角度应为钝角。 |
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相关研究的结果以“Orthogonal reconstruction in elliptical polarization holography recorded by obtuse angle”为题，整理发表在期刊杂志 Applied Physics B, Vol.128, No.7, 126(7p) (2022)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1007/s00340-022-07841-8 |
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(2022.06.11)
