王瑾瑜同学在偏光全息应用研究中取得新进展
在光学领域，矢量光束和涡旋光束凭借其独特而迷人的特性，在科学研究和实际应用中显示出相当大的潜力。得益于偏光全息理论和偏振敏感介质的发展，通过偏光全息曝光制备大面积的复杂光学元件，引起了越来越多的兴趣。这种方法为定制光场的生成提供了新的视角，可以简化制造工艺并降低制造成本。在以前的研究中，我们发现在 PQ/PMMA 材料上制备的聚焦圆偏光全息图显示出良好的偏振转换精度和偏振消光比，这为当前研究中较好的光场分布以及矢量和涡旋光束的准确切换奠定了基础。 在这里，基于张量偏光全息理论，以 PQ/PMMA 作为偏振敏感材料，我们成功制备了一种复合偏光全息图。理论上通过该复合偏光全息图可实现具有自定义振幅，相位和偏振分布的结构光场生成和动态变化。如图1 所示，尝试了会聚矢量光和涡旋光的生成和切换。当不同旋转方向的圆偏振光（右旋：RCP，左旋：LCP）入射该全息图时，可以分别产生会聚的径向矢量光束和涡流光束。会聚特性的引入以及对圆偏振光旋转方向的不同响应，使我们的研究可适用于结构光束生成、检测和光学信息处理等领域。 |
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| 图1 使用复合偏光全息图生成和切换聚焦结构光束。当读取光的偏振态为 RCP 时，再现光 为会聚的径向矢量光束。当读取光的偏振态为 LCP 时，再现光为会聚的涡旋光束 |
首先，我们依据张量偏光全息理论，剖析了采用圆偏光全息图来生成结构光的过程。基于偏光全息中的偏振复用机制，视单次全息曝光记录过程为两个独立记录结果的叠加效应。在此框架下，通过双曝光方法生成的复合全息图，物理构建了结构光束的产生和切换模型。用于制备复合全息图的设备如图2(a) 所示。该实验光路集成了干涉曝光，偏振检测和相位检测的功能。 |
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| 图2 复合偏光全息图的制备。(a) 偏光全息曝光装置。(b) 双曝光方法中，SLM上载的 相位分布。(c) 全息图1 和 2 的归一化衍射强度 (NDI) 随曝光时间的变化。 (d) 成品展示。由相机捕获的白光照射下的复合偏光全息图的衍射图案， PQ/PMMA 材料的厚度为 1mm，全息图的直径约为 4mm |
如图2(a) 所示，使用单纵模激光器 (CNI, MSL-FN-532)，波长 532nm，相干长度不小于 50m。在信号路径中，L2 和 L3 形成 4F 系统 (SLM、L2、L3 和 PQ/PMMA)，用于将 SLM (HOLOEYE, PLUTO-2.1-VIS-130) 处的相位传输到 PQ/PMMA 材料的位置。Q4 和 P3 用于检测再现光的偏振分布，而 NPBS2 用于合束干涉以检测再现光的相位分布。在实验中，一些关键波片由电动旋转位移台 (Thorlabs，KPRM1E/M) 旋转。通过 L4 和 CCD (FLIR, GS3-U3-41C6M-C) 进行成像检测。 |
焦场分布情况 对于制作好的复合偏光全息图，采用满足布拉格衍射条件的读取光入射时，可以发现产生的重建光发生了汇聚，并且焦距大约为 200mm，这与理论设计的一致。使用 CCD 探测焦场的强度分布情况，如图3 所示。 |
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| 图3 复合偏光全息图的焦场分布。(a) 来自理论模拟的分布。(b) 当读取光的偏振态为 RCP 时， CCD 捕获的焦场分布。(c) 当读取光的偏振态为 LCP 时，CCD 捕获的焦场分布。 相关视频数据可见网页版补充材料1 |
图3(a) 表示使用矢量衍射理论和标量衍射理论模拟的径向矢量光束和 +1 阶涡旋光束的焦场强度分布。由于聚焦偏光全息图的 NA 仅为 0.01。因此，在两种衍射理论的计算下，径向矢量光和 +1 阶涡旋光束具有几乎相同的焦场分布。使用不同的偏振态入射时，焦场均为空心环形分布，与理论模拟的分布情况一致，表明了再现光中存在涡旋结构特性以及球面波前分布。 |
偏振分布情况 对于复合全息图所产生的再现光，通过 1/4 波片和偏振片进行斯托克斯参数分布的确定。将 1/4 波片的快轴改变四次（0°、20°、40°、60°），CCD 捕获的四次强度分布。根据四次强度的变化以及斯托克斯参数的变换关系，可计算出的偏振态分布。如图4 示，可见当 RCP 平面波入射时，四次检测的强度分布产生了明显的差异性分布，再现光为径向矢量光束。当 LCP 入射时，四次检测的强度分布只有整体上的强度变化，表明再现光为标量光束，斯托克斯参数的计算显示了其偏振态的分布情况，为圆偏振的标量光束。 |
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| 图4 左图(a)-(b), RCP 平面波入射到复合偏光全息图上时再现光的强度和偏振分布。右图(a)-(b), LCP 平面波入射到复合偏光全息图上时再现光的强度和偏振分布。 |
相位分布情况 对于再现光的相位分布，需进一步检测，检测方法涉及圆偏振的平面波和再现光之间的同轴干涉。检测方式为：改变读取光的偏振态，从 RCP 至 LCP。分别采用 LCP 和 RCP 的平面波与之干涉。由于再现光中球面相位和涡旋相位共存，因此干涉光场为螺旋分布的条纹。汇聚的径向矢量光可以理解为，汇聚的 -1 阶涡旋相位（LCP 偏振态）和 +1 阶涡旋相位（RCP 偏振态）的叠加。因此，如图5 所示，汇聚的径向矢量光分别与 LCP 和 RCP 的平面波干涉时（图5 左图(c) 和右图(c)），干涉光场仅存在旋向上的差异，为较低对比度的螺旋分布。当汇聚的涡旋光束（LCP 偏振）分别与 LCP 和 RCP 的平面波干涉时（图5 左图(d) 和右图(d)），会得到高对比度的螺旋和无干涉情况。 |
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| 图5 左图(a)-(b) LCP 平面波分别与汇聚的径向矢量和 -1 阶涡旋波（偏振态为 LCP）干涉强度的 模拟分布情况。(c) 和 (d) 为实验结果。右图(a)-(b) RCP 平面波分别与汇聚的径向矢量 和 -1 阶涡旋波（偏振态为 LCP）干涉强度的模拟分布情况。(c) 和(d) 为实验结果。 相关视频数据可见网页版补充材料 2 和 3 |
实验数据与理论值吻合较好，表明 PQ/PMMA 材料在光场调控中的潜力。这种能力不仅实现了聚焦矢量光束和涡旋光束之间的动态切换，而且使复合偏光全息图成为一种多功能光学工具，在结构光产生、偏振测量、成像、传感和粒子捕获等方面具有潜在的应用前景。 |
上述研究成果以“Generation and switching of focused vector and vortex beams by a composite polarization hologram”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.32, No.24, 43663-43678 (2024)上。论文中补充的视频数据3 被选中为“IMAGE OF THE WEEK”在 OPTICA 首页进行展示。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.542353 |
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(2024.11.15)
