叶天同学在偏光全息应用研究中取得新进展
Pancharatnam–Berry（PB）相位是一个众所周知的几何相位，它出现于庞加莱球面上南北极点之间的偏振演化过程中。最终状态和初始状态的相位相差量等于两条测地线所围成的闭合曲线所包含的立体角的一半。PB 相位的研究具有重要意义，因为其可以被可以灵活地控制入射波的波前，并且 PB 相位已被用于产生许多复杂的结构光场。到目前为止，该主题的大多数工作都探究了基于超表面、亚波长光栅和液晶材料产生的光学元件相关的相位。叶天等通过对偏光全息的深入研究，确认了 PB 相位可以出现在偏光全息的再现过程中，这证实了偏光全息具有调控光场相位的潜力。同时，叶天等基于 PB 相位的原理，在掺杂菲醌的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）片中制作了非均匀偏光全息图，其可以被看做是一种 PB 相位光学元件，并在圆偏振光读取时产生标量涡旋光束。圆偏振读取光携带的自旋角动量在这种偏光全息的再现过程中转化为轨道角动量，从而形成受读取光偏振控制的具有正负拓扑荷数的标量涡旋光束。与现有的基于超表面或液晶材料的方法相比，该方法在产生和操纵光束的自旋和轨道角动量上更加经济灵活。 标量涡旋光束具有螺旋波阵面和空间均匀的偏振分布，因此其具有轨道角动量，并在光镊和光通信等许多领域得到了广泛应用。人们已经提出了许多生成标量涡旋光束的方法，如在谐振腔内直接生成，在腔外使用非均匀各向异性介质或空间光调制器将平面波直接转化为标量涡旋光束，但这些方法依然面临成本高昂和不易调整等问题的挑战。偏光全息技术由于其廉价和易于调整的优势成为未来生成各种结构光束的有力竞争者。在这项工作中，我们生成标量涡旋光束的方法由一个简单的动态曝光设置支持，该设置不需要使用复杂的辅助组件，如空间光调制器和涡旋玻片等。与超表面和液晶材料相比，PQ/PMMA 偏光全息图具有省时、紧凑和易于制造的优点。通过调整动态曝光装置中的相对旋转速度，可以灵活地生成和操纵偏光全息再现光的轨道角动量。 叶天等提出，偏光全息的再现过程可以实现庞加莱球面南北极点的偏振态演化，且不同的偏振演化过程会导致再现光携带不同的额外相位。用具有三个斯托克斯参数 S1、S2 和 S3 的庞加莱球面来说明发生在偏光再现过程中的这种偏振演化，如图1 所示。 |
|
|
|
| 图1. 被庞加莱球面表示的偏光全息再现过程 | |
在图1 中，两条绿色测地线分别对应于 ν1 和 ν2，表示再现过程中偏振态的不同演化，对应于被不同偏振态的信号和参考光记录下的偏光全息图。以右旋圆偏振读取光为例，右旋圆偏振读取光和左旋圆偏振再现光分别对应于庞加莱球面的北极和南极。当再现过程分别沿着测地线 ν1 和 ν2 时，PQ/PMMA 产生的再现光之间会有相位差，该相位差等于测地线 ν1 和 ν2 所包围的立体角的一半。当读取光使用左旋圆偏振光时，偏振态的演化将从庞加莱球面的南极开始，并在北极结束。此时，两光束之间相位差的绝对值没有改变，但它们相位超前或滞后的效果与之前相比正好相反。 为了观察偏光全息中的 PB 相位，并制备非均匀偏振全息图以产生标量涡旋光束，建立了如图2 所示的实验装置。 |
|
|
|
| 图2. 实验装置。A1-2，扇形光阑；A3，孔径光阑；H1-2，半波片； Q1-2，四分之一玻片；P1-2，偏振片；L1-6，透镜；CMOS，相机 |
|
为了观察偏光全息中的 PB 相位，将 A1 和 A2 的开口角临时设置为 180°，并将 PQ/PMMA 材料分为上下两个记录区域。等效快轴角度为 45° 的偏光全息图记录在上部，75° 或 90° 记录在下部。在再现过程中，使用圆偏振光来读取整个圆形记录区域，并放置偏振片 P2 来观察探测光和再现光之间的干涉条纹，如图3 所示。 |
|
|
|
| 图3. CMOS相机观测到的相位变化 | |
通过观察上部和下部条纹的错位量，可以定量地确定 PB 相位的大小。根据光波的干涉规律，条纹错位量可以确定为 κ=2(ν2-ν1)/360°，单位为亮条纹周期。观察到的干涉条纹如图3 所示，其中，图3(a-b) 对应于上下部分的等效快轴分别为 45° 和 75° 的情况，图3(c-d) 对应于上下部分的等效快轴分别为 45° 和 90° 的情况。 基于观测到的 PB 相位现象，进一步提出：当半波片和扇形光阑在记录过程中同时旋转时，将记录下具有空间不均匀分布的偏光全息图。这种记录过程使得完整的偏光全息图所带来的 PB 相位变化呈现涡旋状，并且再现波前会受到读取光偏振手性的控制。相机探测到的结果如图4 所示。 |
|
|
|
| 图4. 偏振全息图中具有不同拓扑电荷的重建波的干涉图案。 | |
在图4 中，第一列和第二列分别对应于左旋和右旋圆偏振读取光。第一行和第二行分别对应于拓扑荷数为 0.5 和 1 的再现标量涡旋光束。在使用与读取光偏振态正交的探测光去与再现光干涉的前提下，图4 中的实验干涉图具有最大的对比度，这表明再现标量涡旋光束的偏振态确实与读取光正交。这些实验结果表明，所设计的非均匀偏光全息图能够基于 PB 相位原理产生任意拓扑电荷的标量涡旋光束，并实现光波的自旋角动量到轨道角动量的受控耦合。 叶天等在本工作中提出了一种基于偏光全息的生成和操纵光波轨道角动量的新方法。这种基于 PQ/PMMA 的光学元件制造起来更容易且易于调整，所介绍的方法是对先前大量报道的超表面和液晶材料等方法的补充，实验结果展示了偏光全息控制光场 PB 相位的新可能性。在偏光全息的再现过程中实现了光波从自旋角动量到轨道角动量的受控耦合，它可以被多种方式方便地利用。本工作中证实的偏光全息 PB 相位将有望在未来被用于生成更复杂的结构光场。 |
|
|
上述研究成果以“Scalar vortex beams produced by Pancharatnam–Berry phase optical elements that utilize 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.48, No.15, 4105-4108 (2023) 上。 论文的相关链接：https://doi.org/10.1364/OL.494769 |
|
|
|
(2023.07.27)
