林阿愿同学在偏光全息研究中取得新进展
因为使用了对偏振敏感的记录材料，偏光全息可以记录信号光的振幅、相位和偏振信息。当任意信号光的偏振态被正交分解成与参考光相同、正交的偏振态时，此时可以把偏光全息看作是同偏振记录和正交偏振记录的偏光全息的叠加。关于正交偏振记录偏光全息的再现特性研究如今已经有许多研究成果，如果将同偏振记录偏光全息的再现特性探究清楚，就可以认为将任意偏振记录偏光全息的再现特性都研究清楚了。在这项工作中，林阿愿基于张量偏振全息理论推导了在大记录角度下用相同偏振光记录偏光全息产生的再现光电场。理论结果表明，用相同椭圆偏振光记录的偏光全息和正交偏振记录的偏光全息一样，也可以实现忠实再现、零再现和正交再现。 验证忠实再现和正交再现的实验装置设置如图1所示。 |
|
| 图1. 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相同的椭圆偏振光。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为30°，验证忠实再现的实验结果如图2所示。 |
 
|
| 图2. 忠实再现的实验结果。(a)随着曝光时间的增加，s、p分量的功率Ps、Pp以及二者的比值Ps/Pp的变化情况，其中M点表示忠实再现；(b)随着P的旋转，再现光的功率变化情况 |
如图3. (a)中的M点所示，当曝光时间约为7.5秒时，Ps/Pp约为1.85。信号光的s偏振分量与p偏振分量功率比值Ps/Pp被设置为2。理论上当实现忠实再现时，Ps/Pp应为2，这与点M所代表的值是不同的。在实验中，信号光的Ps/Pp确实是设置为2。但是，当信号光从曝光过的材料透射出来后，上述值变为1.85。这种变化是因为曝光导致记录材料的各向异性。由于记录材料的影响，如果实现忠实再现，再现光的Ps/Pp应为1.85。接着，在M点检查再现光的旋向。如图2. (b)所示，将旋转方向的检测转换为功率的变化。如果实现忠实再现，当P旋转到54.8°时，功率应为最大。实验结果与理论预测较为接近。因此，可以认为实现了忠实再现。 |
 
|
| 图3. 正交再现的实验结果。(a)随着曝光时间的增加，s、p分量的功率Ps、Pp以及二者的比值Ps/Pp的变化情况，其中N点表示正交再现；(b)随着P的旋转，再现光的功率变化情况 |
与验证忠实再现的实验一样，信号光的Ps/Pp也被设置为2。当信号光从曝光过的材料透射出来后，上述值为1.9。如果实现了正交再现，再现光的Ps/Pp应为1/1.9≈0.53。如图3. (a)中的点N所示，当曝光时间约为5s时，比值约为0.53。同样的，需要检查再现光在N点的旋向。如果实现了正交再现，当P旋转到54.8°时，功率应为最小。如图3. (b)所示，最小功率角为56.8°，与理论结果吻合良好。 验证同偏振态记录偏光全息的零再现的实验参数如表1所示。 |
| 表1. 验证零再现的实验参数 |
|
|
验证零再现的实验装置设置如图4所示。 |
|
| 图4. 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； SH：快门；PM：功率计；PQ/PMMA：记录材料 |
因为记录角度都是钝角，所以采用非对称入射的记录方式。信号光和参考光从不同的侧面进入材料。为了避免读取光被反射到再现光的路径中，信号光和参考光的入射角并不相等。此外，只需要一个功率计就能检测是否实现了零再现。以上两点是图1和图4的主要区别。实验结果如图5所示。 |
 
|
| 图5. 不同记录角度的零再现实验结果。(a)随曝光时间的增加，再现光的功率变化情况； (b)HWP2快轴方位角变化时，再现光的归一化功率的变化情况。 |
如图5. (a)所示，随着曝光时间的增加，再现光的功率虽然会有变化，但是都是比较小的值。理论上，一旦实现零再现，再现光的功率为零，这在现实中是不可能的。因此，再现光功率要低到多少才可视为零再现是一个问题。由于零再现的实现依赖于读取光的偏振态，因此再现光的功率将随着读取光偏振态的变化而变化。理想情况下，当记录角度为100°且实现零再现时，HWP2的方位角应为-4.5°、85.5°、175.5°和265.5°。如图5. (b)所示，实验中当功率达到最小值，实验值与理论值较为接近；与理论值相差最大仅为2.1°。造成这种偏差的原因可能是实验装置造成的误差。虽然存在偏差，但实验结果仍然可以接受的。同样的，当记录角度为136°和144°时，其实验结果与理论值都吻合的很好,因此可以认为证实了零再现。 在这项工作中，通过设计的实验对理论预测进行验证，发现观察上述结果的关键是记录材料应具有偏振敏感性。如果用非偏振敏感材料记录，再现光的偏振态始终与读取光的偏振态相同。 |
相关研究的结果以“Reconstruction characters of conventional holography using polarization sensitive material”为题，整理发表在美国光学学会(The Optical Society of American, OPTICA)期刊杂志 Applied Optics, Vol. 61, No. 11, 3134-3140 (2022)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/AO.452415 |
|
(2022.04.05)
