徐贤淼同学在偏光全息应用研究中取得新进展
本研究运用并实验验证了基于张量偏光全息的偏振叠加正交性。其通过多个基本偏振参考光叠加的偏光全息零再现来表征偏振光的正交性。利用张量偏光全息理论分别分析了线与线偏振叠加和圆与圆偏振叠加的正交性。然后，通过偏光全息复用技术，实验验证了偏振叠加的正交性，实验结果与理论分析结果一致。因此，偏振叠加的正交性表明了在偏光全息复用技术、偏振编码和解码等领域的潜在应用，从而使光学加密技术更加多样化。此外，还证明了偏振叠加正交性在光控技术中具有重要的应用前景。 首先，根据线偏振组合方法，搭建一套偏光全息记录装置。线偏振叠加实验的设计方案如图1 所示。在这项研究中，使用的记录介质是偏振敏感材料 PQ/PMMA 光致聚合物，该材料是在实验室中自制的。由于实验过程的干涉角为 90°，所以制备形状约为长 1cm、宽 1cm、高 3cm 的立方体材料符合本项实验研究。 在实验中，使用波长为 532nm 的固态激光器记录并再现了偏光全息。通过激光准直的平面波，用两个偏振分束器 PBS1 和 PBS2 将其分成一束信号光和两束参考光。半波片 HWP1 和 HWP2 分别用于调节信号光和参考光的强度。偏振片 P1 和半波片 HWP3 用于调节第一个参考光路中参考光的偏振态。偏振片 P2 和半波片 HWP4 用于调节第二个参考光路中参考光的偏振态。分束器 BS 的作用是将两个参考光的偏振态叠加成一组偏振组合参考光。快门 SH1 和 SH2 用于控制曝光时间。使用空间光调制器 SLM 加载二维信号图，并用 HWP5 调制二维信号图的偏振态。用透镜 L1 和 L2 组成一个 4f 成像系统将二维信号图成像至记录材料中，再用透镜 L3 和 L4 组成另一个 4f 成像系统将再现全息图成像，并通过 CMOS 相机采集显示。 在记录过程中，信号光调制为 p 偏振，光强度约为 4mW。第一路参考光调制为 s 偏振，光强度约为 8mW；第二路参考光调制为 p 偏振，光强度约为 8mW；总参考光强度约为 16mW，在材料上的光斑大小约为 8mm。此时，SLM 加载的第一幅信号"F"图案被记录在 (s, p) 叠加偏振的全息光栅中，曝光时间为 20s。然后，将第二路参考光中的 HWP4 旋转 90°，使其偏振态调制为 eipp。用 (s, eipp) 的叠加偏振记录 SLM 加载的第二幅信号"Z"图案，相同的曝光时间为 20s。在再现过程中，当用 (s, p) 叠加偏振读取全息信号"F"图案时，全息信号"Z"图案会完全消失；当用 (s, eipp) 叠加偏振读取全息信号"Z"图案时，全息信号"F"图案会完全消失。 |
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| 图1. 偏光全息基本线偏振叠加研究的实验装置 |
实验结果如图2 所示，全息信号图采用了线偏振叠加复用记录进行再现。两幅全息图记录在材料上的同一位置。显然，全息信号"F"图案是通过 s 偏振光和 p 偏振光的叠加进行记录和再现，如图2(a) 所示。全息信号"Z"图案是通过 s 偏振光和 eipp 偏振光的叠加进行记录和再现，如图2(b) 所示。 |
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| 图2. 线偏振叠加全息复用记录中再现的全息图 |
第二个实验根据圆偏振组合方法，搭建了一套偏光全息记录装置。圆偏振叠加实验的设计方案如图3 所示。实验过程所使用的材料与图1 中的材料相同。在实验中，实验装置的原理与图1 虽然相似，但是参考光路中的波片组合不同。平面绿波用两个偏振分束器 PBS1 和 PBS2 将其分成一束信号光和两束参考光。半波片 HWP1 和 HWP2 分别用于调节信号光和参考光的强度。偏振片 P1 和四分之一波片 QWP1 用于调节第一个参考光路中参考光的偏振态。偏振片 P2 、四分之一波片 QWP2 和半波片 HWP3 用于调节第二个参考光路中参考光的偏振态。分束器 BS 的作用是将两个参考光的偏振态叠加成一组偏振组合参考光。快门 SH1 和 SH2 用于控制曝光时间。使用空间光调制器 SLM 加载二维信号图，并用 HWP4 调制二维信号图的偏振态。用透镜 L1 和 L2 组成一个 4f 成像系统将二维信号图成像至记录材料中，再用透镜 L3 和 L4 组成另一个 4f 成像系统将再现全息图成像，并通过 CMOS 相机采集显示。 |
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| 图3. 偏光全息基本圆偏振叠加研究的实验装置 |
为了与线偏光全息记录有对照作用，在做圆偏光全息实验记录过程中，部分参量尽可能与线偏光全息实验的保持一致。信号光调制为 p 偏振，光强度约为 4mW。第一路参考光调制为 L 偏振，光强度约为 8mW；第二路参考光调制为 R 偏振，光强度约为 8mW；总参考光强度约为 16mW，在材料上的光斑大小约为 8mm。此时，SLM 加载的第一幅信号"Q"图案被记录在 (L, R) 叠加偏振的全息光栅中，曝光时间为 20s。然后，将第二路参考光中的 HWP3 旋转 90°，使其偏振态调制为 eipR。用 (L, eipR) 的叠加偏振记录 SLM 加载的第二幅信号"S"图案，相同的曝光时间为 20s。在再现过程中，当用 (L, R) 叠加偏振读取全息信号"Q"图案时，全息信号"S"图案会完全消失；当用 (L, eipR) 叠加偏振读取全息信号"S"图案时，全息信号"Q"图案会完全消失。 |
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| 图4. 圆偏振叠加全息复用记录中再现的全息图 |
实验结果如图4 所示，全息信号图采用了圆偏振叠加复用记录进行再现。两幅全息图记录在材料上的同一位置。显然，全息信号"Q"图案是通过 L 偏振光和 R 偏振光的叠加进行记录和再现，如图4(a) 所示。全息信号"S"图案是通过 L 偏振光和 eipR 偏振光的叠加进行记录和再现，如图4(b) 所示。 综上所述，本章节运用了基于张量偏光全息理论的偏振叠加正交性，并通过偏光全息实验证明了线线偏振叠加和圆圆偏振叠加的复用记录和独立再现。当信号光为 p 偏振时，只需满足 90° 的干涉角即可实现叠加偏振的零再现。实验结果表明，两组相互正交的叠加偏振参考光可以重复记录和独立再现两幅偏振复用的全息图。本章节采用的偏振叠加正交方法有望应用于更多的全息复用记录，这一方法奠定了偏光全息可以运用偏振进行编码和解码的基础。从理论和实验充分验证了偏振叠加正交方法的可行性。为偏振编码和解码提供了更加多样化的光学加密方法。此外，它还可能在防伪、多通道显示、3D 打印等应用方面具有巨大的潜力。 |
上述研究成果以“Orthogonality of polarization superposition based on polarization holograph”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.20, 5815-5818 (2024) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OL.540275 |
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(2024.10.07)
