刘忆平同学在偏光全息应用研究中取得新进展
偏光全息是一种新技术，可以记录和重建光波振幅、相位和偏振信息。然而，传统的偏光全息理论仅限于近轴近似条件，这限制了其应用范围。2011 年，Kuroda 等提出了偏光全息的张量理论。这个新的理论模型适用于两个干涉的偏振光处于任何角度的情况，为偏光全息提供了一个更通用的理论框架。基于这一理论，研究人员预测并在实验上验证了几个重要现象，包括忠实再现、零再现和正交再现。这些发现促进了各种应用的发展，包括偏振复用、圆偏振发生器和涡流束发生器。总之，偏光全息的张量理论克服了传统理论的局限性，扩展了偏光全息的应用。这促进了光学数据存储、光束整形和光学信息处理等领域的发展。 作为常用的偏振元件之一，圆偏振分束器（CPBS：circular polarization beam splitter）可以将入射光分为左旋和右旋圆偏振光。它应用于各种领域，如集成光学系统、全息显示和图像处理等。1822 年，Fresnel 提出了一种使用石英棱镜制造 CPBS 的方法。然而，由于石英是一种各向异性的陀螺晶体，这种方法面临两个出射光的分离角不能太大的问题，从而限制了其加工和应用。近年来，研究人员已经提出了制造 CPBS 的新方法，包括使用液晶聚合物、超表面、光子晶体和石墨烯等。尽管这些新方法旨在解决传统石英 CPBS 的局限性，如高成本、分离角度不足和尺寸不可控，但这些问题仍然是持续的挑战。总体而言，圆偏振分束器是一种应用广泛的重要光学元件，研究人员将继续探索新的制造方法来提高其性能。 本文提出了一种基于偏光全息张量理论的 CPBS 制造方法。这种方法允许 CPBS 的分离角度高达 100°。通过在记录材料的同一位置记录两幅全息图，可以很容易地实现 CPBS，这两幅全息图分别产生仅具有左旋和右旋圆偏振分量的重建光，如图1 所示。重要的是，可以通过在记录过程中调整干涉角来定制出射光的分离角。此外，可以根据所需的 CPBS 规格选择干涉光束的尺寸，从而能够制造出不同尺寸的器件。对于记录材料，我们选择了 1.5mm 厚度的掺杂菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）。PQ/PMMA 价格低廉，易于制备，相对稳定。与其他方法相比，这种选择允许以非常低的成本制造 CPBS。本文提出的方法通过使用 PQ/PMMA 作为记录介质，实现更大的分离角度、可定制的尺寸和低成本制造，解决了传统石英 CPBS 的局限性。 |
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| 图1. 制作 CPBS 的过程。(a) 记录过程； (b) 重建过程。G+1、G+2，信号光；G-，参考光； F-，读取光；F+1、F+2，再现光；θ1、θ2，信号光和参考光之间的干涉夹角。 |
使用偏光全息的张量理论制备 CPBS 的实验装置如图2 所示。 |
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| 图2. 制作 CPBS 的实验装置；BE，扩束镜；A，孔径；HWP，半波片；PBS，偏振分束器； P，偏振器；M，反射镜；QWP，四分之一波片；SH，快门；PM，功率计。 |
实验结果如图3 所示。 |
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| 图3. 不同偏振光透过 PQ/PMMA 材料时，(a) 再现光的斯托克斯参数和 (b) 归一化衍射效率的实验结果 |
实验结果表明，所设计的全光逻辑器件可以实现全部的布尔逻辑操作和偏振控制的光路切换。基于张量偏光全息理论的全光逻辑器件，不仅加深了研究者对偏光全息的理解，还拓宽了其应用范围。这些器件在需要光信号控制的各种光学系统中有着巨大的应用潜力，包括光通信和网络等领域。实验结果表明，基于偏光全息的张量理论提出的方法能够在 PQ/PMMA 材料上制造出具有 100° 大分离角的 CPBS。我们还制造了具有其他分离角度的 CPBS 器件，实验结果良好。这表明偏光全息的张量理论可以有效地用于制造 CPBS。这种方法简单、成本低廉，适用于制造任意尺寸的器件。偏光全息的张量理论可以应用于其他偏振敏感材料。未来，我们可以比较由不同材料制成的 CPBS，以进一步探索其潜在的优势和挑战。 |
上述研究成果以“Method for fabricating circular polarization beam splitters based on polarization holography”为题，整理发表在美国光学学会 (The Optical Society of American, OPTICA) 期刊杂志 Optics Letters, Vol.49, No.16, 4689-4692 (2024) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OL.534102 |
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(2024.08.13)
