偏光全息的应用
The Application of Polarization Holography

　　与传统全息相比，由于偏光全息可以记录和再现光的偏振状态，因此其再现特性更加多样，其应用研究也更具特色。例如：在相同的记录条件下，与不同的再现条件相组合可以分别实现“忠实再现”、“零再现”和“正交再现”等现象。基于偏光全息的张量理论，本研究团队依据已获得的理论研究成果，实现了多通道偏振信息记录，产生各种偏振光的功能器件的应用，这些应用成果均基于偏光全息的再现特性及条件组合实现的。下面分别举例介绍：

图1. (a)忠实再现、(b)零再现和(c)正交再现情况下，
再现光与信号光偏振态的对比
1. 偏振调制的双通道信息记录
　　偏振调制的双通道信息记录是利用两束相互正交的线偏振光，分别依据忠实再现和零再现需满足的偏光全息记录条件，在材料（图中黄色部分：PQ/PMMA材料）的同一位置记录两幅偏光全息图；在再现过程中，随着读取光偏振态的改变，可以得到不同再现信号光交替呈现出来的现象。


图2. (a)记录“A”全息图的过程; (b)记录“B”全息图的过程
　　在记录过程中，用 p 偏振的参考光与 s 偏振的信号光“A”，在PQ/PMMA材料中记录第一幅偏光全息图，如图2(a) 所示；再用 s 偏振的参考光与 p 偏振的信号光“B”，在材料的相同位置记录第二幅偏光全息图，如图2(b) 所示。
　　完成记录后，用一束线偏振的光波作为读取光，沿着记录参考光方向照射PQ/PMMA材料，可以看到如图3 所示的结果：随着读取光偏振态由 p 到 s 偏振的改变，分别得到了记录信号光“A”与“B”两幅不同偏振态的偏光全息再现结果。因而实现了偏振调制的双通道信息记录。

图3. 不同偏振态的读取光照射材料后，
再现光变化情况
2. 圆偏振光发生器
　　圆偏振光发生器是利用偏光全息的忠实再现特性，将圆偏振光如实地记录在材料内，无论读取光的偏振态千变万化，均可再现出圆偏振光的现象制作出的偏光全息器件。在制作过程中，如图4(a) 所示，将圆偏振光作为信号光，参考光为任意线偏振光，并在PQ/PMMA材料中记录偏光全息，即完成制作过程。在使用时，如图4(b) 所示，将任意的偏振光沿记录参考光方向入射到材料后，在信号光方向即可获得圆偏振的再现光。而且，可以根据需要制作出“左旋圆偏振光发生器”和“右旋圆偏振光发生器”


图4. (a)为圆偏振发生器的制作过程示意图；(b)为完成特定记录后
所得到的圆偏振发生器的功能实现示意图
3. 矢量光束器件
　　矢量光束与标量偏振光不同，其特点是在矢量光束的横截面上，每一点的偏振状态不尽相同。矢量光束中较为特殊的是一种偏振态在横截面上呈轴对称分布的光束。如图5 所示展示了线偏振光与较为典型的径向矢量光和角向矢量光两种类型矢量光束的对照。
图5. 线偏振光、径向矢量光和角向矢量光的空间
偏振态分布情况，蓝色箭头表示偏振方向
　　利用偏光全息的忠实再现特性，结合旋转半波片和扇形狭缝组成的动态曝光调控系统，可以实现矢量光束器件的制作。如图6 所示，分别展示了该器件的制作过程、该器件的使用方法及其效果。图中，HWP为半波片，P为偏振片，QWP为四分之一波片，BS为分光棱镜。在制作时，如图6(a)所示，参考光用 p 偏振光，通过控制信号光路上的半波片（HWP）和扇形狭缝的转速比，可以动态的连续记录信号光偏振态的变化。在使用时，如图6(b)所示，只需入射与参考光相同的 p 偏振态的读取光，矢量光束便可再现出来。


图6. (a)矢量光束器件的制作过程示意图；(b)阶数为+1的矢量光束发生器的功能实现示意图
4. 标量涡旋光束器件
　　标量涡旋光束是一种相位呈类似“意大利面”型那样螺旋状分布、强度呈类似“甜甜圈”式的光束。这种“意大利面”型是由于相位连续变化引起的螺旋现象，由于中心位置相位不确定导致了“甜甜圈”式的中空现象。涡旋光束因其与众不同的特性，被首次提出后，就引发了众多研究者浓厚的兴趣，迅速成为现代光学研究中一个重要分支。并应用于通信系统中，以提高传输容量与通信速率。
　　利用偏光全息中，90°干涉角下 p 偏振光可以实现忠实再现这一特性，可以制作具有任意线偏振和任意拓扑荷数的标量涡旋光束器件。
　　该器件的制作与矢量光束器件的系统有些类似，不同之处在于信号光路。作该器件的制作系统如图8(a)所示，通过引入半波片（HWP）、四分之一波片（QWP）和偏振片（P）来实现相位和偏振态的连续变化。标量涡旋光束器件的使用方法及其效果如图8(b)所示，只需入射与参考光相同的 p 偏振态的读取光，标量涡旋光束便可再现出来。
图7. 不同拓扑荷数 l 的标量涡旋光束的
相位和强度分布


图8. (a)标量涡旋光束发生器的核心制作过程示意图；(b)拓扑荷数为+2的
标量涡旋光束发生器的功能实现示意图
5. 矢量涡旋光束器件
　　矢量涡旋光束顾名思义，是一种既具备标量涡旋光束特性又同时具备矢量光束特性的光束。
　　矢量涡旋光束器件的制作同样是采用 p 偏振光作为参考光且干涉夹角为90°的偏光全息系统，并结合半波片（HWP）、偏振片（P）和扇形狭缝等普通元器件对信号光进行调控，通过实时记录实现矢量涡旋光器件的制作。

图9. 矢量涡旋光束的特性示意图



图10. 制作矢量涡旋光束发生器的实时记录动图

　　该器件的制作过程，如图10所示。矢量涡旋光束器件的使用方法及其效果，如图11所示，只需入射与参考光相同的 p 偏振态的读取光，矢量涡旋光束便可再现出来。



图11. 偏振阶数为+1和涡旋拓扑荷数为-1的矢量涡旋光束
发生器的使用方法及其结果分析

　　图11中还展示了对再现的矢量涡旋光束进行两个步骤的验证分析，一是偏振分布检测，一是叉形干涉检测。相应的检测结果分别对应矢量涡旋光束的偏振和相位部分。

　　通常制作矢量光束、标量涡旋光束和标量涡旋光束之类的器件，需要搭建复杂的光学系统和采用昂贵的光电器件。而采用偏光全息制作这些器件，可以简化制作系统，避开昂贵器件的使用。可以预言，偏光全息将是以上器件制作的理想方法。
　　由于偏光全息技术能够记录振幅、相位和偏振信息，且所使用的PQ/PMMA偏振敏感材料具有制作工艺简单、成本低的特点，因此基于偏光全息技术的应用值得进一步探索。
欢迎加入信息光子学研究中心开展研究和学习！


This Page was written by Information Photonics Research Center (yhren@fjnu.edu.cn); at July 7, 2022.