郑淑君同学在偏光全息应用研究中取得新进展
涡旋光束由于其独特的相位和强度分布以及轨道角动量，在各个领域得到了广泛的分析和应用。涡旋光束的制备方法也成为国内外学者研究的热点。郑淑君同学提出了一种基于偏光全息的忠实再现特性制备标量涡旋光束的方法，该方法通过改变实验参数可以产生具有任意线性极化和任意拓扑荷数的标量涡旋光束。在偏光全息中，当信号光和参考光的夹角为90度时，任意的偏振态都可以通过参考光为p偏振光来实现忠实再现。实验中使用了菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）作为记录材料。 图1为实验装置图。一束波长为532nm的基模TEM00绿色激光器通过扩束器后被偏振分束器（PBS）分成s偏振光和p偏振光，其中透射光（p偏振光）作为参考光，反射光被分为信号光和检测光。使用立方体记录材料的目的是确保信号光和参考光之间的夹角为90度。记录过程中，在信号光路上通过放置一些偏光器件和旋转狭缝，将偏振态和连续变化的相位记录到材料中。检测光用来与再现光进行干涉，达到检测再现光是否为涡旋光束及测量其拓扑荷数的目的。 |
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图1. 制备涡旋光束的实验装置，其中PBS代表偏振分束器，BE是扩束器，HWP是半波片，QWP是四分之一波片，slit是狭缝，P是偏振片，SH是快门，BS是分束器，4F成像系统是一个线性光信息处理系统，M是反射镜。材料为立方形偏振敏感聚合物材料（PQ/PMMA） |
经过计算，信号光路上最终到达狭缝处的光场的琼斯矢量可以写成下式： |
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其中，α表示为HWP2的方位角，ν决定P2的通光轴与水平方向的夹角及QWP的快轴方向与水平方向的夹角多45度。由于QWP和P2是固定放置，所以上式的变量只有α。因而只需控制HWP2和狭缝的速度比，即可得到任意拓扑荷数的标量涡旋光束。由于涡旋光束的特性可以推出，要制备l阶的标量涡旋光束，HWP2和狭缝的旋转速度比值为2:l。 实验中，设定ν为90度且将HWP2和狭缝的旋转速度比设置为2:1时，可获得如图2所示的l=+1的s偏振的涡旋光束。图2（a）和（b）分别为实验和模拟生成的标量涡旋光束；图2（c）和（d）分别为实验和模拟生成的标量涡旋光束与平面波发生干涉后的叉形光栅；图2（e）为实验和模拟结果在z=75 mm处沿相位奇点的水平和垂直方向的光强分布。 |
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| 图2. l=+1的标量涡旋光束强度分布图，(a)实验结果，(b)模拟结果；平面波与标量涡旋光束的干涉图样，(c)实验结果，(d)模拟结果；(e)沿垂直方向（上）和水平方向（下）的强度分布 |
为了进一步验证可以实现制备任意拓扑荷数的标量涡旋光束，将HWP2和狭缝的旋转速度比设置为1:1时，可获得如图3所示的l=+2的标量涡旋光束。图 4 (a)–(e)给出了相应的结果。 |
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| 图3. l=+2的标量涡旋光束强度分布图，(a)实验结果，(b)模拟结果；平面波与标量涡旋光束的干涉图样，(c)实验结果，(d)模拟结果；(e)沿垂直方向（上）和水平方向（下）的强度分布 |
从以上实验结果可以看出，得到的实验结果和模拟结果吻合，验证了该装置生成任意线性极化和任意拓扑荷数的涡旋光束的可行性。 在这项研究中，应用偏光全息的忠实再现特性来记录信号光的偏振态和相位。通过设置不同的HWP2与狭缝的旋转速度比，得到不同阶次的标量涡旋光束。所提出的方法有两个主要特点。首先，记录阶段的信号光不是已生成的涡旋光束，而在再现阶段从材料接收到的再现光却是涡旋光束。其次，与先前报道的偏光全息忠实再现不同，再现光与信号光并不相同。此外，具有任何拓扑荷数的标量涡旋光束的材料还可以看作一个器件来使用，在材料性能允许下，其有望步入市场。 |
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相关的研究成果以“Scalar vortex beam produced through faithful reconstruction of polarization holography”为题，整理发表在美国光学学会（The Optical Society of American, OSA）期刊杂志Optics Express, Vol.29, No.26, 43193-43202 (2021) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OE.445360 |
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(2021.12.10)
