王瑾瑜同学在偏光全息应用研究中取得新进展
偏振器件在许多光学技术应用中发挥着关键作用。然而，传统的偏振转化器件往往体积大且缺乏集成，实现偏振转换通常需要组合多个器件，这使得实现集成光学系统具有挑战性。为顺应当前光学器件的发展趋势，我们提出了一种利用偏光全息制备偏振转换器件的方法。这种方法制造出的将任意偏振态转换为指定偏振态的器件，同时还具备聚焦功能。具体来说，制造了两种类型的偏振转换全息图。一种是具有聚焦功能的线性偏振器，另一种是具有聚焦功能的圆偏振器。它们的偏振消光比在 35 dB 左右，在同类器件中具有一定的竞争力。这种方法在保证其性能的同时简化了多功能偏振器件的制备过程。我们的工作在偏振发射、成像和传感等领域具有潜在的应用。此外，这种方法拓宽了偏振转换器件的设计理念，这可能会促进成本更低、集成度更高的光器件的发展。 |
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| 图1 (a) 四种不同类型的偏振全息图的功能。(b) PQ/PMMA 材料中的白色区域是偏振全息图。 (c) 相机拍摄的白光照射下的偏振全息图，PQ/PMMA 材料的厚度为 1 mm， 全息图的直径约为 7.5 mm。 |
利用张量的偏光全息理论分析和实验验证，都证明了通过偏光全息制备的指定聚焦偏振转换器件是可行的。我们也发现，偏振全息图的零再现 (NRE) 是实现偏振转换的关键。为保证零再现现象的有效实现，提出了一种更通用的曝光响应系数测量方法。偏光全息图的偏振转换能力通过偏振消光比 (PER) 进行评估。引入球面波前使重构波汇聚，并从理论上分析了不同汇聚效应 (NA) 对偏振消光比性能的影响。这些理论分析和实验结果不仅丰富了偏光全息术的理论体系，而且为偏振转换器件的设计和优化提供了理论和技术支持。 |
曝光响应系数 (T) 的测量 在偏光全息图中为保证零再现的有效实现，一定程度上需满足特定的曝光条件。而这个曝光条件对偏光全息图的影响可由曝光响应系数 (T) 的数值变化反应出来。基于以前的工作，我们提出了一种更通用的测量 T 值的方法。测得 PQ/PMMA 材料的 T 随曝光时间的变化如图2 所示。 |
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| 图2 T 值的模量和辐角随曝光时间的变化，以及归一化衍射功率 (NDP) 随曝光时间的变化。椭偏仪测得再现光的偏振度大于 99%，NDP 是再现光的斯托克斯参数 S0 的归一化值 |
如图2 所示，实验结果表明，PQ/PMMA 材料的T值是一个随曝光时间变化的复函数，PQ/PPMMA 的 T 值模量从 4.3 降低到 1.3，辐角在-0.09 到 0.71 rad 的范围内变化。 |
聚焦功能对偏振消光比 (PER) 性能的影响 为了显著提高偏光全息图的集成功能并增强衍射强度，在记录过程中通过透镜将球面相位附于信号波上，记录方法如图3(a) 所示。同时，球面波前引起的光波偏折将使信号光和参考光之间的干涉角发生变化。这种变化将阻碍零再现的有效实现，从而降低偏振全息图的偏振消光比性能。基于张量的偏光全息理论，分析了对偏振消光比的影响，计算了任意信号光和参考光在任意干涉角度下的相对衍射强度，进一步可得到聚焦偏光全息图产生的再现光在径向方向上的最大和最小振幅分布函数 Emax 和 Emin，如图3(b) 和 (c) 所示。 Emax 和 Emin 进行积分可得到最大光功率与最小光功率 Pmax 和 Pmin。基于 Emax 和 Emin 可得到偏振消光比 (PER) 数值随 NA 的变化情况，如图3(d) 和 (e) 所示。 |
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| 图3 (a) 球面光和平面光的干涉模型，f 是全息图的焦距，NPBS 是非偏振分束器 (b) 和 (c) 表示再现光的最大和最小径向强度分布函数示意 (d) 4 幅聚焦偏振全息图的 Pmax 和 Pmin 随 NA 的变化情况 (e) 4 幅聚焦偏振全息图的 PER 随 NA 的变化情况 |
实验装置和实验数据 |
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| 图4 (a) 制作偏振全息图的实验装置，SPF：空间针孔滤光器，L：透镜，H：半波片， PBS：偏振分束器，M：反射镜，Q：四分之一波片，P：偏振片， NPBS：非偏振分束器，PQ/PMMA：参杂菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯 (b) 用于检测偏振全息图重建特性的实验装置，CCD：电荷耦合器件，EP：椭圆偏振仪 (c) 4 幅聚焦偏振全息图产生的焦场分布，CCD 的像素尺寸为 3.45 微米 |
相位分布情况 实验装置如图4(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。基于马赫—曾德尔干涉仪进行同轴干涉记录。检测全息图的装置如图4(b) 所示，CCD 用于检测焦场分布情况，EP 用于检测再现光的偏振态。CCD 探测到的焦场分布如图4(c) 所示，能量集中在焦场中央，焦点的有效直径为 26.2 微米，较好地实现了聚焦效应。聚焦偏振全息图的偏振响应如图5 所示。 |
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| 图5 (a)-(d)分别表示 p 型，s 型，LCP 型，RCP 型偏振全息图针对 不同偏振态产生的再现光的斯托克斯参数及 NDE 的变换情况 |
如图5 所示，再现光的斯托克斯参数在不同入射条件基本维持稳定，与理论值相近，与理论值的二范数误差的平均值为 0.03，实现了任意偏振向指定偏振的转化，其中当再现光发生 NRE 时，EP 探测到的斯托克斯参数由噪声提供，因此，发生了偏移理论值的现象。通过归一化的衍射效率的最大值和最小值可得聚焦线性偏振器的 PER 约为 31.5 dB，聚焦圆偏振器约为 35.7 dB。实验值与理论值吻合较好，较好地实现了附带聚焦功能的指定偏振转换。 所制备的全息图具有良好的聚焦效果、高 PER、稳定的偏振转换，衍射级的强度远高于零级的强度，并且可以通过强度阈值避免混叠问题。此外，该方法不仅限于转换为线性和圆偏振，也适用于任意偏振状态之间的转换，并且通过设计曝光条件，偏振全息图可以在宏观尺度上具有指定二色性和双折射性。该方法对降低偏振发生器的制造难度，促进光学器件向低成本、高集成度发展具有积极作用，在结构光产生、偏振测量等方面具有潜在的应用前景。 |
上述研究成果以“Focused polarization hologram with arbitrary polarization to a specified polarization conversion”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.33, No.1, 665-679 (2025)上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.540380 |
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(2025.01.07)
