黄璐同学在偏光全息应用研究中取得新进展
近年来，矢量光场由于其独特的性质在各方面都有着广大的应用，如光捕获、激光加工、超分辨率显微镜、光通信、粒子加速和荧光成像等。矢量光场的产生方法也成为了国内外的研究热点之一。黄璐提出了一种全新的基于偏光全息的忠实再现性质生成矢量光场的方法。该方案通过一个可调节的动态曝光调控系统来生成矢量光束。 图1为该研究的实验装置，一束波长为532的激光扩束后通过偏振分束器PBS，使之分为信号光路和参考光路。两束光以90度夹角在块状PQ/PMMA材料上进行干涉。记录过程中通过调节信号光路上的半波片和扇形狭缝的相对速度来调控不同阶数的矢量光场的生成。在再现过程中通过CMOS观察生成的矢量光场图像，并利用偏振片检验。 |
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图1. 实验装置示意图. PBS偏振分束器; M反射镜; P偏振片; HWP半波片; L透镜 |
图2为由半波片和扇形狭缝组成的动态曝光调控系统的示意图，半波片和扇形狭缝分别安装在一个转动机构上以确保可以灵活的调控二者之间的相对转速。下式为矢量光束的偏振态表达式， |
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其中m为方位指数，θ0 是一个描述在 φ=0 时的初始偏振状态的常数，θH 为经过半波片后的偏振态，θp 为最终合成的偏振态。半波片与扇形狭缝的相对速度之比为m/2。 |
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图2. 矢量光场的产生原理图. (a) 动态曝光系统的示意图，由扇形狭缝和半波片组成; VHWP 和 Vaperture 分别对应半波片(HWP)和扇形狭缝的旋转速度; (b) 经过半波片后偏振态 θH 与矢量光束 θp 在极坐标中的关系示意图 |
实验中，将扇形狭缝旋转速度调至半波片的两倍时，可获得如图3、图4所示的一阶矢量光场的图像，为了不失一般性，两组实验结果具有不同初始偏振角 θ0。 |
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图3 m=1，θ0=0°的矢量光束的强度和偏振分布. (a), (f)分别为模拟和实验的强度分布; (b)-(e)模拟中P=0°、30°、60°、90°时偏振片后的强度分布; (g)-(j)相应的实验结果 |
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图4 m=1，θ0=15°的矢量光束的强度和偏振分布. (a), (f)分别为模拟和实验的强度分布; (b)-(e)模拟中P=0°、30°、60°、90°时偏振片后的强度分布; (g)-(j)相应的实验结果 |
此外，为了更好地体现我们方案的灵活性，我们还生成了 m=2 的矢量光束。图5为二阶矢量光场图像。 |
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图5 m=1，θ0=30°的矢量光束的强度和偏振分布. (a), (f)分别为模拟和实验强度的分布；(b)-(e)模拟中P=0°、30°、60°、90°时偏振片后的强度分布; (g)-(j)相应的实验结果 |
从以上实验图中可看出，得到的实验结果和理论模拟十分吻合，验证了动态曝光调控系统可以成功地生成矢量光场。 本文提出了一种基于偏振全息的忠实再现效应产生矢量光场的新方法。通过设置所需的初始偏振态 θ0，并在动态曝光系统中调节 HWP 和扇形狭缝之间的相对旋转速度，就可以灵活地直接生成矢量光束。该方案不仅摆脱了传统方法中的SLM 、Q-plate等所有辅助元素，而且具有易于制作、省时的优点，并展现了基于偏光全息技术调控光场的新可能性。 |
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相关的研究成果以“Generation of a vector light field based on 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 Letters, Vol.46, No.18, 4542-4545 (2021)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OL.438070 |
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(2021.09.09)
