徐贤淼同学在偏光全息研究中取得新进展
基于张量理论描述的偏光全息，报告了许多有趣的偏光全息特性，如线偏振的零再现，正交圆偏振的零再现，正交椭圆偏振的零再现，反转偏振效应，线偏振的忠实再现，圆偏振的忠实再现，正交椭圆偏振的忠实再现。偏光全息中的忠实再现，表示衍射光的偏振态与信号光的偏振态一致。当强度和偏振的全息光栅达到平衡时，忠实再现可以在曝光过程中实现。在这些特性中，忠实再现是最重要的现象之一。因为它在成像信息编码、高清全息显示、增加数据存储强度等方面将有很大的潜力。 以往对忠实再现的研究工作，主要集中在两束相同偏振态的偏振光之间的干涉情况下，例如两束线偏振光、两束圆偏振光和两束椭圆偏振光。在上述研究的推动下，探讨线偏振光和圆偏振光的偏振干涉特性是一件很有趣的事情。因此，本文从理论上和实验上研究了偏光全息中线偏振态和圆偏振态的忠实再现特性，发现在用任意偏振光读取时可以实现圆偏振的忠实再现。本工作的目的是研究线偏振和圆偏振的偏光全息特性，重点研究任意读取光以实现忠实再现现象，并进一步应用于圆偏振发生器。 实验设置如图1所示。我们搭建了一个精心设计的记录和读取的光路系统。 |
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| 图1. 验证实验的示意图。Sig. 和Ref. 分别表示信号光路和参考光路。At: 衰减器; M: 镜子; BE: 光束扩展器; A: 孔径; PBS: 偏振光束分离器; BS: 光束分离器; P: 偏振片; HWP: 半波片; QWP: 四分之一波片; SH: 快门; PM: 功率计。 |
在记录阶段，由于忠实再现是在A+B=0条件下实现的，因此应精确调节曝光量，以达到强度全息和偏振全息之间的平衡。在这里，我们设置电子快门的开、关状态，以控制记录和读取周期。首先，我们将快门SH1和SH2设置为打开，SH3和SH4将关闭以进行记录。然后，在读取阶段相反设置。实验的时序周期分别是6秒和0.3秒，用于记录和读取。瞬态读取时间是为了避免擦除记录的光栅。在读取阶段，再现光由PBS3分为s和p偏振状态。s偏振分量和p偏振分量的功率强度由功率计PM1和PM2测量，这将有助于我们确定A+B=0的获取。 在再现阶段，我们在得到A+B=0的状态后，进一步检测再现光的旋向。应验证偏振的旋向与原信号光一致。再现信号的旋向由旋向验证系统 (QWP3、PBS4、PM3、PM4) 确定。由于是圆偏振信号光，只有当再现光的s偏振分量和p偏振分量的功率达到1：1时，才能再现其偏振。当PM1和PM2的功率比为1：1时，快轴在水平方向的QWP3逆时针旋转360度，观察PM3和PM4的功率强度变化，用以验证再现光的旋向。圆偏振的忠实再现可以通过两个必要条件得到确认：一是再现光的s偏振分量和p偏振分量的功率比达到1：1; 二是再现光在QWP3后面的s偏振分量和p偏振分量的强度变化与信号的强度变化一致。 我们列举出两组理论进行了实验研究证明，用相同的右旋圆偏振为记录信号光，分别用不同的记录参考光 (s或p偏振光) 进行记录。此外，我们分别用概括为线偏振 (s、p) 、圆偏振 (l、r) 和椭圆偏振 (ms+nip)等读取光再现记录信号。系数m和n是椭圆偏振光的s和p分量。椭圆偏振代表更普遍的状态，将有助于证明我们的分析预测。实验结果如图2、3所示。 |
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| 图2. 圆偏振由p偏振光记录, 由不同的读取光再现。蓝线和红线分别表示再现光的s和p分量的强度。 (a) 读取光, s; (b) 读取光, p; (c) 读取光, s+ip; (d) 读取光, s-ip; (e) 读取光, 1.76s+ip。 右上角插图是忠实再现点偏振旋向的验证。(f): 旋转QWP3后信号光的强度变化。 |
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| 图3. 圆偏振由s偏振光记录, 由不同的读取光再现。蓝线和红线分别表示再现光的s和p分量的强度。 (a) 读取光, s; (b) 读取光, p; (c) 读取光, s+ip; (d) 读取光, s-ip; (e) 读取光, 1.76s+ip。 右上角插图是忠实再现点偏振旋向的验证。(f): 旋转QWP3后信号光的强度变化。 |
综上，我们从理论上和实验上研究了偏光全息线偏振和圆偏振之间干涉的忠实再现特性。与以往的研究相比，我们所记录的圆偏振可以通过任意偏振态的读取光 (如线、圆或椭圆偏振) 获得。目前的结果可以极大地拓展对体偏光全息特性的研究，对理解曝光过程中各偏振的相互作用具有重要的意义。此外，我们的研究可能为圆偏振发生器提供了一种新的方法，并发现在消偏振装置、偏振敏感光谱仪、光场操纵等领域有一定的应用前景。 |
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相关研究的结果以“Generation of circular polarization with an arbitrarily polarized reading wave”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.29, No.2, 2613-2623 (2021)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.414531 |
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(2021.01.05)
