叶天同学在偏光全息应用研究中取得新进展
基于张量偏光全息理论，叶天等人基于掺杂菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）材料提出了一种简单方便的方法，可以产生在高阶和混合阶庞加莱球面上的光束。叶天等人通过将全息记录的相位与Pancharatnam-Berry相位相结合，以及同时调整两个记录光束的偏振方位角和相对相位，可以在偏光全息的再现过程中对两个正交的圆偏振态施加独立的相移。完成记录的偏光全息图在再现过程中可以将基本庞加莱球面上的光束转换为任意高阶或混合阶庞加莱球上的光束。叶天等人通过干涉方法以及偏振片测量得到了再现光的庞加莱球类型和偏振分布，实验结果与理论预测吻合较好。 相位和偏振是光波的两个重要属性，一些具有不均匀偏振和相位分布的特殊光束通过描述偏振和相位的空间演化的高阶和混合阶庞加莱球面来体现。高阶庞加莱球面上的光束，包括均匀偏振的光学涡旋和平面波前的矢量光束，已被人们广泛应用于各种应用中，在超分辨率成像、激光加工、量子通信、光镊和光捕获中发挥着重要作用。与高阶庞加莱球面光束相比，在矢量光学涡旋滤波、光束聚焦和光子自旋霍尔效应等多个领域，研究者们已经提出并探索了同时具有螺旋横向偏振和螺旋相位结构的混合阶庞加莱球面光束。混合阶和高阶庞加莱球面光束的表示分别如图1和图2所示。 |
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| 图1. 混合阶庞加莱球面 |
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| 图2. 高阶庞加莱球面 |
目前，大量报道的工作集中在液晶或超表面上，以产生在高阶和混合阶庞加莱球面上的光束。然而，这些方法通常面临成本、体积、灵活性和不便捷等问题。因此，值得研究工作者们对其他生成方法进行研究。与只记录光的振幅和相位的普通全息术不同，偏光全息技术还可以记录光波的偏振态。当偏光全息技术应用于光场的产生、传输和检测时，它通常具有一些独特的优点，例如再现光的传播方向可以被设计、可以具有任意的拓扑荷数、偏光全息图尺寸可以被灵活修改、较低的实验成本、在记录或再现过程中对入射光的偏振态具有高敏感性，以及与空间复用技术相结合的能力。因此，在未来的一些特殊情况下，偏光全息技术在光场的产生、传输和检测中的应用可能会优先于液晶和超表面等当前技术。 与之前报道的基于偏光全息的忠实再现原理生成特殊光束的工作不同，在叶天等人的这项工作中，读取光的偏振态可以改变，并且再现过程不再受读取光必须是p偏振光这一条件的限制。另外，这项工作中可以通过改变读取光在基本庞加莱球面上的经纬度来调整再现光在任意高阶或混合阶庞加莱球面上的经纬度，并且再现光可以取到任意高阶和混合阶庞加莱球面上的每个点。这项工作进一步证实了偏光全息在光场空域参量调控方面的潜力，并提高了偏光全息产生特殊光束的灵活性。 基于偏光全息的实验原理，叶天等人搭建光路如图3所示。 |
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| 图3. 光路。BE，扩束器；A1-2，扇形光阑；A3，孔径光阑；SH1-4，快门；H1-3，半波片；P1-3，偏振片；Q1-2，四分之一波片；L1-6，平凸透镜；PM，功率计；M1-3，镜子；SPP，螺旋相位板；PBS，偏振分束器，BS，分束器。 |
基于上述实验装置，叶天等人在PQ/PMMA中记录了四种不同的非均匀偏振全息图，所对应再现光的庞加莱球面类型分别有两种高阶和混合阶。叶天等人选取了三个不同的点，它们分别来自基础庞加莱球面上的极点、赤道点和任意点，分别作为偏光全息图的读取光，并检测相应再现光的庞加莱球面类型和球面坐标角，如图4和图5所示。 |
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| 图4. l=0和p=1的高阶庞加莱球面 |
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| 图5. l=1和p=1的混合阶庞加莱球面 |
如图4所示，再现光的两种干涉图中的分叉数量都是1，分叉开口相反，这意味着我们已经成功地生成了l=0,p=1的高阶庞加莱球面光束。此外，两个分叉条纹之间的对比度差异给出了再现光的偏振态的旋转方向。我们使用VirtualLab Fusion软件模拟了理论坐标对应的波瓣分布，并将其与实验结果进行了比较。图5展示了l=1,p=1的混合阶庞加莱球面光束，经过探测，所得三个球面点的庞加莱球面类型和球面坐标角确实如预期。 叶天等人提出了一种简单的方法，即通过同轴偏光全息图将用作读取光的基本庞加莱球面光束转换为高阶或混合阶球面上的再现光，并且再现光所对应庞加莱球面的圆偏振正交基的拓扑电荷可以是任意的，该工作进一步证实了偏光全息具有产生多功能紧凑型器件的可能性。在这项工作中，可以通过改变读取光在基本庞加莱球面上的经纬度来调整再现光在任意高阶或混合阶庞加莱球面上的经纬度，并且再现光可以取到高阶和混合阶庞加莱球面的每个点。叶天等人在PQ/PMMA片材中制备的偏光全息图提供了一种以更灵活和简单的方式生成高阶和混合阶庞加莱球面光束的可能方法，并且它们有望成为偏光全息应用于光场的生成、传输和检测领域的良好候选者。 |
上述研究成果以“Polarization evolution on higher and hybrid-order Poincaré spheres with coaxial polarization holograms”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.32, No.11, 19397-19409 (2024) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.518960 |
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(2024.05.13)
