叶天同学在偏光全息应用研究中取得新进展
标量光束具有空间均匀的偏振分布状态，例如线偏振、圆偏振和椭圆偏振光。与标量光不同，矢量光束在同一波前的光束横截面上具有空间变化的偏振态。矢量光束因其独特的偏振特性而被广泛应用于各种应用，如超分辨率成像、激光加工、量子通信和高精度位置传感等。目前已经报道了许多生成矢量光束的方法，然而这些生成方法通常面临准确性、成本和复杂性的挑战。因此，需要提出更加灵活、成本低、结构紧凑的矢量光束生成方法。先前报道的基于偏光全息忠实再现效应生成矢量光束的方案受限于读取光的偏振态，且存在不够灵活和材料浪费等问题。叶天等人通过将同轴记录中线偏振全息图的衍射特性应用到动态记录装置当中，摆脱了忠实再现条件的约束，较好的改进了先前方法。本方案的主要优势在于读取光不再被限制为特定的偏振光，且允许在再现过程中通过改变读取光的偏振方向角来调整期望的矢量光束偏振模式。与现有的基于线偏振光忠实再现效应的矢量光束生成方法相比，该方法更加经济和灵活。 在叶天等人提出的方案中，记录过程需要使用两个转动的半波片实现信号和参考光的偏振变化，通过旋转扇形光阑，在片状 PQ/PMMA 材料的不同极角处记录连续变化的等效半波片快轴。当任意线偏振光在再现过程中沿着原参考光路径照射全息图时，可以生成矢量光束。完成记录的偏振全息图所达成的再现过程如图1所示。 |
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| 图1. 偏振全息图生成径向矢量光束 | |
如图1 所示，具有径向偏振分布的矢量光束被线偏振光读取偏振全息图而生成。在本工作中，生成具有非均匀半波片快轴分布的偏振全息图是生成任意矢量光束的关键。为了达成目标偏振全息图的生成，叶天等人使用了全息动态记录装置，很好地解决了该问题。图2 展示了全息动态记录装置产生非均匀偏振全息图的原理。 |
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| 图2. 产生非均匀偏振全息图的原理。蓝色虚线是 β(t1) 和 β(t2) 的角平分线， θφ 是记录过程结束时等效快轴的角度 |
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图2 中描述了偏光全息的平均记录原理，即使扇形光阑的开口大小不可忽略，在任意的极角位置 φ 处所记录的偏振全息图的琼斯矩阵描述依旧是半波片的形式。随着扇形光阑与半波片的同步转动，不同的极角位置 φ 处将记录下连续变化的等效半波片快轴。为了生成具有非均匀半波片快轴分布的偏振全息图，叶天等人搭建全息动态记录装置如图3所示。 |
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| 图3. 用于在 PQ/PMMA 中生成矢量光束的光学装置。BE，扩束器；A1-2，扇形光阑；A3，孔径光阑；H1-3，半波片；P1-2，偏振片；L1-6，透镜；CMOS，相机 | |
在记录过程中，A1、A2、H2、H3 同时旋转。与之前基于忠实再现效应生成矢量光束的工作相比，本实验使用了两个开口角度更大的扇形光阑，A1 的开口大小是随机选取的，A2 的开口大小略大于 A1。通过控制扇形光阑与半波片的角速度比，并在记录过程中设计扇形光阑的初始位置，以及信号光和参考光的初始偏振方向角，我们可以生成不同偏振模式的矢量光束。在再现过程中，A2 被移出光路，而信号光关闭，参考光打开。通过旋转H3可以改变读取波的偏振方向角。基于同轴线偏振全息图的衍射特性的结论以及偏光全息的平均记录原理，我们指出，当读取光使用任意线偏振光时，将产生矢量光束。 为了验证所提出的方法，我们生成了偏振阶数 p = 1 和 2 的矢量光束。为了与之前的工作进行比较，我们使用不同线偏振的读取光来获得再现光，并观察再现光通过具有不同透光轴角度的偏振片 P2 后的波瓣分布。我们使用 VirtualLab Fusion 软件模拟结果，并将其与实验结果进行比较。图4 和图5 分别表示偏振阶数为 1 和 2 的矢量光束的实验和模拟图案，它们分为四个部分，每个部分对应于不同偏振方位角的读取光。每个部分的第一行显示了偏振片 P2 的不同透光轴角度，分别为 0°、45°、90° 和 135°。每个部分的第二行和第三行是相应的实验和模拟结果。当扇形光阑的旋转速度调至半波片的四倍时，将生成偏振阶数为 1 的矢量光束，如图4 所示。 |
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| 图4. 偏振阶数 p=1 的实验和模拟结果。 (a) α = 0°. (b) α = 45°. (c) α = 90°. (d) α = 135° | |
此外，为了体现方案的灵活性，我们还生成了 2 阶的矢量光束，这需要将扇形光阑的旋转速度调至半波片的两倍。图5 为偏振阶数为 2 的再现矢量光束通过不同透光轴的偏振片后的图像。 |
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| 图5. 偏振阶数 p=2 的实验和模拟结果。 (a) α = 0°. (b) α = 45°. (c) α = 90°. (d) α = 135° | |
本文获得的实验结果与理论模拟一致，这验证了基于同轴记录中线偏振全息图衍射特性原理构建的动态曝光系统可以成功地生成任意矢量光束。本文中，再现矢量光束的偏振模式随着线偏振读取光的偏振方向角而变化，这在先前的工作中是不可实现的。本文所采用的方法有利于偏振全息术产生矢量光束的灵活性，其结果有利于偏振全息术的广泛应用。 |
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上述研究成果以“Generation of vector beams based on diffraction characteristics of a linear polarization hologram in coaxial recording”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.31, No.5, 7764-7773 (2023) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.480323 |
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(2023.02.05)
