徐贤淼同学在偏光全息应用研究中取得新进展
本研究结合张量偏光全息理论和多通道复用记录技术，运用了一种新型的偏振编码方法，即正交偏振阵列 (正交偏振编码)。当读取过程中的参考光与记录过程中的参考光具有相同的偏振状态时，该方法可以通过基于参考的多路复用技术中精确的正交偏振编码组合光，高效且独立地再现偏振全息图。其新颖之处在于正交偏振编码的复用维度在理论上可以不受限制地为任意数量。基于对偏振全息图叠加特性和材料特性的理论分析，设计了一种具有正交线性极化阵列记录配置的偏振复用全息存储器。实验结果得到验证，证明了三幅和五幅全息图在不同偏振编码光下的独立再现。除了高密度光学数据存储外，本研究还为大容量光学显示器和信息加密应用提供了新的范式。 使用正交偏振编码的偏振全息多路复用的原理如图1 所示。信号光与参考光之间的干涉角θ是任意的。正交偏振编码是基于参考光的正交组合偏振编码来实现全息复用。使用空间光调制器调制参考光中的组合偏振，可以高效且独立地再现偏振全息图。偏振编码光 Q1 可以记录并再现全息图1；偏振编码光 Q2 可以记录并再现全息图2；偏振编码光 Qm 可以记录并再现全息图 X。该理论方法分析了偏振全息图的叠加特性，可以准确计算出存储的偏振全息图数量，并且可以在没有任何串扰的情况下进行高效的全息图检索。 |
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| 图1. 偏光全息复用的原理 |
在理论分析和材料特性的基础上，设计了一套具有正交线偏振编码记录装置的偏振复用全息存储器。它是用于提高全息数据存储的密度，并通过实验证明了该技术方法的可行性。为了验证基于正交线偏振编码的三通道体全息复用的可行性，确保偏振敏感材料内部两束光的干涉角为 90°，如图2 所示。 |
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| 图2. 三通道全息复用记录实验装置示意图 |
实验结果表明，通过改变读取参考光的偏振阵列，可以在同一记录点再现三幅独立的全息图。图3(a) - (c) 为 CMOS 相机直接采集的原始偏振全息图；图 3(d) - (f) 为原始偏振全息图透过材料后 CMOS 相机采集的光信号；图 3(g) - (i) 分别为相应的偏振编码 Q1、Q2 和 Q3 依次读取全息图的结果。尽管衍射效率非常低（小于 0.01%，仅在 nW 级范围）和一些背景噪声的存在，但仍然可以清楚地识别被记录的全息图。并且再现全息图和原始图像可以完全重叠。因此，这些实验结果与理论分析较为吻合。其验证了采用正交偏振编码方法的偏振复用设计的优良性能。 |
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| 图3. 三通道全息复用的实验结果 |
为了消除再现全息图中细微的背景噪声和提高再现全息图的信噪比，下面对原始偏振全息图、原始偏振全息图透过材料后的信号图和再现全息图的灰度值进行光学优化处理，如图4 所示。从这个角度来看，再现全息图的信息大致存在。从而更进一步地说明了偏光全息复用记录的优势。 |
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| 图4. 三通道实验的统一归一化全息图灰度值 |
为了进一步验证理论的正确性和实验方法的可靠性，采用五幅全息图进行记录和再现实验，如图5 所示。图 5(a) - (e) 为 CMOS 相机直接采集的原始偏振全息图；图5(f) - (j) 为原始偏振全息图透过记录材料后 CMOS 相机采集的光信号；图5(k) - (o) 分别为相应的正交偏振编码记录和读取再现信号。当参考光通道的数量增加到五个时，参考光的组合强度下降到约 3 mW。每幅全息图的曝光时间都是相同的。因此，五幅全息图的再现强度要弱于三幅全息图的再现强度。 通过增加通道的数量展开实验，这些结果进一步验证了基于正交偏振编码的偏振复用方法的可行性。通过优化光学设置和记录材料，可以解决细微的背景噪声和弱再现强度的问题。然而，这种多通道复用的方法会随着通道的增加而削弱光的利用率。 |
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| 图5. 五通道全息复用的实验结果 |
实验结果成功地验证了光学全息中的正交偏振编码理论。正交偏振编码的偏光全息理论可以在同一位置对偏振敏感材料进行三通道和五通道的记录。这种偏振编码方法有望实现更多的通道记录，从而提高光数据全息存储的密度。此外，基于这种新的偏光全息理论的偏振编码复用还可以与自旋、位置、角度和波长复用等其他方法相结合。这种结合可以进一步提高信息存储密度和编码能力。 综上所述，所提出的基于正交偏振编码的偏光全息方法克服了偏振在空间中只有两个正交维度的局限性。新颖之处在于，正交偏振编码的复用维度在理论上可以不受限制地为任意数量。它支持振幅、相位和偏振的多维调制，并允许准确计算可存储的偏振全息图的数量。这种偏振编码方法为高密度信息存储、少串扰的光学加密、光通信的并行处理和复杂的逻辑门等相关应用领域开辟了新的途径。使用精确的正交偏振编码可以高效、独立地再现偏振全息图的能力是这中方法的一个关键优势。 总体而言，本研究展示了基于正交偏振编码的偏光全息在推进需要高密度、安全和并行信息处理的各种光子应用方面的巨大潜力。 |
上述研究成果以“Holographic multiplexing recording with an orthogonal polarized array”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.21, 36405-36419 (2024) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.537898 |
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(2024.09.24)
