杨毅老师等撰写的偏光全息的应用特邀综述论文发表
全息技术在立体成像、安全防伪、数据存储、交通导航和生物医疗等多个研究领域得到了广泛应用，对人们的日常生活产生了深刻影响。全息光学元件利用光栅衍射原理来调控光的振幅和相位，从而实现传统光学元件的功能，如透镜、分束器、合束器、反射镜等。与普通光学元件相比，全息光学元件具有体积更小，重量更轻，更易制造，适合大规模生产等优势。 本文从偏光全息原理入手，介绍由偏光全息得到的忠实再现、零再现等非传统全息可以观察到的现象。概述了近几年来课题组基于张量的偏光全息理论在多种光场调控与探测器件制作方面的研究进展。包括从光源的生成到探测的一系列光场调控和探测的器件：在光源的产生和分束调控方面，介绍了圆偏振光发生器和偏振分束器的标量光场调控器件；为拓宽调控光场的维度和复杂度，介绍了矢量光束发生器、涡旋光束发生器和矢量涡旋光束发生器的结构光场调控器件；为准确分析光场状态，介绍了圆偏振探测器和任意偏振光探测器在内的标量光场探测器件。 1. 圆偏振光发生器 圆偏振光发生器是一种能够将线偏振光转换为圆偏振光的光学器件。圆偏振光是光波的两种偏振态之一，其特点是光的电场矢量在传播过程中沿着螺旋轨迹旋转。圆偏振光的生成在许多光学应用中非常重要，例如光通信系统中，它能够减少光传输中的散射和损耗，提高信号的传输效率。此外，圆偏振光还广泛应用于光学成像、光谱分析以及生物医学领域。圆偏振光发生器的实现，为偏光全息技术提供了更加精确的控制能力。以右旋圆偏振光发生器为例进行说明：信号光的偏振态设为右旋圆偏振光，参考光的偏振态可以设为 s 或 p- 偏振光。此时调整读取光的偏振态只会改变再现光的光强，其偏振态始终保持为右旋圆偏振光。对于左旋圆偏振光发生器，情况类似。图1 所示的是相关的的实验光路图，在光路中，将信号光和参考光分别调整为 r+ 和 p-，使它们在全息材料内部干涉，形成偏光全息图。之后，当任意读取光照射时，产生的再现光始终为右旋圆偏振光。 |
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| 图1. 制作圆偏振光发生器的实验光路图 |
2. 偏振分束器 偏振分束器是一种能够将正交的线偏振态光束分离的光学器件。它通常用于将光源输出的光分解成不同的偏振成分，从而为后续的光学处理提供所需的光场信息。偏振分束器在光通信、光学传输以及量子信息处理中扮演着重要角色，是实现多通道光信号处理的基础器件。图 2展示了基于偏光全息实现偏振分束器的示意图。该器件的设计思路借鉴了忠实再现现象，但不同之处在于，当任意读取光照射时，再现光的偏振态与信号光不再相同。其制作思路如图2(a) 所示，在全息材料的同一区域，使用信号光 G+1、G+2 和参考光 G-，记录两幅特殊的偏光全息图。对于任意偏振的读取光，G+1 与参考光 G- 形成的偏光全息图的再现光始终为 s 偏振光，而 G+2 与参考光 G- 形成的偏光全息图的再现光则始终为 p 偏振光。 |
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| 图2. 偏振分束器示意图图 |
3. 矢量光束发生器 矢量光束发生器能够生成具有空间偏振分布的一种光学器件。与传统的标量光束不同，矢量光束在其传播过程中不仅包含强度信息，还包括光场的空间分布和偏振特性。通过对矢量光束的调控，研究人员可以精确地控制光场的不同维度，这对于高分辨率显微镜、激光加工、光学操控和量子信息领域都有重要的应用。矢量光束发生器为偏光全息技术提供了更广泛的光场调控能力，推动了其在复杂光学实验中的应用。制作矢量光束发生器的实验装置如图3 所示，在信号光和参考光的光路中，各用一个半波片调整它们的偏振方向，再用扇形狭缝使得全息材料在不同角向位置记录到不同的干涉场，形成沿角向各不相同的偏光全息图。当这些偏光全息图记录完成，全息材料便具有类似涡旋半波片的功能，如图3 中的内插图所示。当以不同偏振方向的线偏振读取光照射时，将产生不同偏振状态的矢量光束，图4 展示了阶数为 2 的矢量光束，由它经过透光轴分别呈 0, π/4, π/2, 3/4π 的偏振片的光强分布可以确定该矢量光束正确生成。 |
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| 图3. 制作矢量光束发生器的实验装置图 |
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| 图4. 产生矢量光束的结果 |
4. 涡旋光束发生器 涡旋光束发生器是用于生成具有特殊相位结构的光束，其典型特征是光束的相位沿着传播方向呈现螺旋状分布。涡旋光束的生成对于量子信息处理、光学成像以及粒子操控等领域具有显著意义。基于偏光全息制备涡旋光束发生器相关的实验装置如图5所示，其原理是在全息材料中记录随角向连续变化的 Pancharatnam–Berry 相位。使用两个半波片 H1 和 H2 来调整信号光和参考光的偏振方向，控制待记录的等效半波片的快轴方向。通过狭缝 A1、A2，可以将等效半波片记录到全息材料的局部区域内。借助电动旋转台，使这两对半波片和狭缝旋转，从而使等效半波片的快轴方向沿着角向梯度变化，此后，全息材料就等效于涡旋半波片。当左旋或右旋偏振光照射到制作的涡旋半波片后，自旋角动量转换为轨道角动量，产生涡旋光束。实验结果如图6 所示, 图6(a) 和 (b) 分别对应着左旋和右旋圆偏振的读取光照射 m = 0.5 的等效涡旋半波片，其产生的涡旋光束再使用同偏振的平面波干涉后，会产生叉形图案，根据叉形分支数量，可以确定该涡旋光束的阶数。 |
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| 图5. 制作涡旋半波片的实验装置 |
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| 图6. 不同拓扑荷数的涡旋光束的干涉图样 |
5. 矢量涡旋光束发生器 矢量涡旋光束发生器结合了矢量光束和涡旋光束的特点，能够生成既具有空间结构调制又具有相位旋转特性的光束。这种器件能够生成具有复杂结构的光束，既能控制光束的偏振态，又能调节其相位分布。矢量涡旋光束的调控在高精度光学实验中具有非常大的潜力，尤其在光学成像、激光加工以及量子信息处理中有着广泛的应用。通过对矢量涡旋光束的精确控制，研究人员能够实现更为复杂和精细的光场操控，推动偏光全息技术的进一步发展。制备矢量涡旋光束发生器的实验装置如图7所示，线偏振的信号光和参考光分别经过半波片 H2 和 H3 后，偏振方向发生旋转，之后分别经过扇形狭缝 A1 和 A2。整个过程中，通过分别控制 H2、H3、A1 和 A2 的转速比，便可生成不同阶数的等效涡旋半波片，进而用于生成矢量涡旋光束。如图8 所示，生成矢量涡旋光束之后，使用偏振片，以及将其分别与左旋和右旋圆偏振光进行干涉，将实验结果与仿真结果比较，可以验证目标矢量涡旋光束是否正确生成。 |
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| 图7. 基于等效涡旋半波片产生矢量涡旋光束发生器的实验装置 |
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| 图8. 混合庞加莱球 (l=2, p=-1)球生成的矢量涡旋光束 |
6. 圆偏振探测器 光的任意偏振态可视为左旋和右旋两种基本圆偏振态的组合。左旋与右旋圆偏振光在光与物质的相互作用时，有时会产生不同特性，被广泛应用于生物传感、光学成像及手性物质分析等领域。圆偏振探测器是一种专门用于探测圆偏振光的光学仪器。它能够精确测量圆偏振光的强度、相位及其偏振态信息，在光通信系统、光学成像以及其他高精度实验中具有重要应用。图9 是基于偏光全息制备圆偏振探测器的相关实验装置。图10 展示了圆偏振探测器的实验结果。左半区域在左旋圆偏振光的读取下产生最大光强，而在右旋圆偏振光的读取下则光强最小；右半区域的特性则相反。 |
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| 图9. 制作圆偏振光探测器的实验装置示意图 |
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| 图10. 不同读取光下的衍射图像及其强度分布 |
7. 任意偏振光探测器 任意偏振光探测器是一种能够测量任何偏振态光的光学器件。与圆偏振探测器不同，任意偏振光探测器可以探测多种不同偏振态的光，这使得它在光通信、量子信息及光学成像等多个领域具有更广泛的应用。它能够提供对光场偏振态的全面分析，对于复杂光学实验中的光场调控和数据获取至关重要。一种利用偏光全息制作的偏振探测器如图11 所示，其制作的关键在于，在全息材料中记录四个偏光全息图，它们对不同偏振成分具有不同的响应特征。它们分为两类：第一类偏光全息图类似于偏振片，用以探测光的线偏振成分。具体而言，它们用来测量光在 0°、45° 和 90° 偏振方向的强度 I0、I45 和 I90，从而确定斯托克斯参数 S0、S1 和 S2 的值。第二类偏光全息图类似于同时使用四分之一波片和偏振片，用以测量 Iλ/4,0，以确定 S3 的值，从而提供待测光的圆偏振信息。如图11(a) 所示，在制作过程中，采用角度复用技术，以不同的干涉角度，分别将每个偏光全息图记录到全息材料中。如图11(b) 所示，使用角度复用技术记录了四个偏光全息图后，当待测光照射全息材料，会同时产生四束再现光 GF1, GF2, GF3 和 GF4，它们的光强与斯托克斯参数相关，可以通过它们的光强来确定待测光的偏振态。图12(a) 生成了一系列不同偏振态的读取光作为待测光，其偏振在线偏振、椭圆偏振和圆偏振之间变化。图12(b) 显示了这四束再现光光强随待测光偏振态变化情况。通过它们可以计算出其偏振态在庞加莱球上的分布，如图12(c) 所示。 |
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| 图11. 偏振探测器示意图 |
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| 图12. 任意偏振光斯托克斯参数的探测结果 |
总结 本文总结了近年来偏光全息技术的原理和应用，展示了如何通过调控光场的振幅、相位和偏振来制备多种光场调控和探测器件。并探讨了偏光全息技术未来的发展趋势，以及可重点关注及进一步研究的关键科学问题进行了分析和展望。 |
本综述以“偏光全息在光场调控与探测器件制备中的应用”为题发表在中国激光杂志社新创刊的《光学学报（网络版）》，Vol.1，No.3，0302001 (2024)上。 论文的相关链接：https://www.opticsjournal.net/Articles/OJ8d9f0f796c111625/Abstract |
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(2024.11.08)
