杨毅老师在在偏光全息研究中取得新进展
矢量涡旋光束（Vector Vortex Beams, VVBs）是一类具有独特空间不均匀偏振分布的光束，通常在横向平面上展现出复杂的偏振态。这些光束因其独特的偏振和相位特性，在高分辨成像、激光加工、微纳加工等多个领域展现了巨大的应用潜力。然而，要实现对任意矢量涡旋光束的精确探测，尤其是其偏振态的分析，一直以来都是光学领域的一个技术挑战。为此，开发一种简便且有效的探测方法显得尤为重要。 目前探测 VVB 的方法很多，例如基于机器学习算法的检测，基于几何相位和数字全息的干涉检测方法，或是利用波片组合的传统斯托克斯探测方法等等。这些方法在探测 VVB 的偏振态时存在一些局限性，如操作复杂、探测速度慢、设备体积大或成本高。因此，本文基于偏光全息原理提出了一种新型紧凑探测器，不仅克服了这些局限性，该方法可实现快速、准确且低成本的非均匀偏振分布 VVBs 探测。该矢量涡旋光束紧凑型探测器如图1 所示。 |
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| 图1 矢量涡旋光束紧凑型探测器原理图 |
该探测器基于偏光全息原理设计了五个独特的偏光全息图，每个全息图的功能相当于偏振片与旋转四分之一波片的组合。通过角度复用方法，这五个偏光全息图被记录在光敏介质 PQ-PMMA 的相同位置。当待测的 VVB 光束照射到探测器时，会同时生成五束再现光，且这五束再现光的强度分布与待测 VVB 的偏振分布之间存在着唯一的对应关系。通过对这些衍射光的强度进行分析和计算，便能精确获取 VVB 的偏振信息。图2 为该工作相关的光路图。 |
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| 图2 制备矢量涡旋光束紧凑型探测器实验装置图 |
根据图2 所示的光路图完成该探测器的制备后，可以关闭信号光路对探测器的性能进行验证。首先，标量光可以看成是矢量光的一种特殊情形，利用参考光路中的四分之一波片 (QWP) 和半波片 (HWP) 产生待测的标量光。当这束标量光照射探测器时，同时出现五个衍射光。五个再现光各自的强度随着读取光的偏振态变化而变化，并由功率计记录下来。归一化强度结果如图3 所示。图3(a) 为基于偏光全息制备的探测器所获得探测结果，图3(b) 为偏振探测仪所得到的探测结果，两种结果各个对应曲线的最大 MSE 仅为 0.12%。可见，这种方法制备的探测器精度可信。 |
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| 图3 (a) 基于偏光全息制备的探测器探测任意偏振光的光强曲线；(b) 偏振探测仪探测任意偏振光的光强曲线 |
在进一步的实验中，利用一阶涡旋相位板（VPP）与 QWP 和 HWP 组合，生成了六种典型的 VVB（即“H, A, V, D, R, L”态）。这些 VVB 的偏振状态通过该探测器后，产生的再现光的光强度分布可以通过 CMOS 相机捕获，并归一化处理。图4 和图5 展示了实验探测结果与理论模拟结果的对比，结果表明该探测器能够准确反映 VVB 的偏振态。 |
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| 图4 利用偏光全息制备的探测器探测矢量涡旋光束“H, A, V, D, R, L”。(a) 实验探测结果；(b) 理论模拟结果 |
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| 图5 重建的矢量涡旋光束的偏振分布(I)由探测器重建(II)理论值 |
本文基于张量偏光全息理论提出了一种用于探测空间不均匀偏振分布的紧凑型探测器。当 VVB 照射到探测器时，根据同时出现的多个再现光的光强分布就可以得到VVB的偏振分布，整个检测过程只需一步即可完成。并且该器件的制备工艺非常简单，特别适合低成本的大批量生产。其尺寸可以根据干涉光场的大小灵活调整，从而符合小型化应用。 |
上述研究成果以“Compact detector for vector vortex beams by polarization holography”为题发表在美国光学学会(The Optical Society of America, OPTICA) 期刊杂志Optics Express, Vol.32, Issue24, 43134-43145 (2024)。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.542116 |
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(2024.11.12)
