杨毅老师等撰写的偏光全息的应用特邀综述论文发表
与光学技术深度融合的电子消费产品对光学系统的小型化、智能化与多功能化需求日益攀升。全息光学元件（HOEs）作为紧凑型多功能的器件已逐渐成为关键解决方案，凭借在毫米级体积内精准编码光学信息的核心能力，它相比传统光学技术制备的元件具备更显著的优势。传统标量全息技术虽能够捕获光的振幅和相位信息，但其未考虑到光的偏振维度—这对光场的完整操控至关重要。偏光全息技术通过利用光学各向异性材料将偏振态直接编码到全息图中，克服了这一局限，让全息光学元件能够同时实现对光振幅、相位与偏振的三维调控。偏光全息图在配置方案与曝光策略上的多样性，实现了传统光学难以或无法完成的复杂光场操控，为多功能、高紧凑度的全息光学元件提供了广阔设计空间。 文章首先介绍了偏光全息的基本理论，然后指出利用偏光全息理论制备全息光学元件的三个关键阶段。第一阶段是基于所需的光场调制，定义读取光束与重建光束之间的目标关系。从这个目标出发，理论上推导出所需的信号光束和参考光束，包括它们的偏振态、传播方向和相位分布。第二阶段是在全息材料中调整并重合信号光束和参考光束，以形成所需的干涉场。在此过程中，对曝光参数（如强度、持续时间和环境条件）的精细控制至关重要。最后一阶段，用读取光束照射记录的偏振全息图，分析所得的重建光束并验证是否实现了预期的光学功能。 其次，文章阐述了偏光全息技术中角度复用方法在全息光学元件设计中发挥的重要作用，并详细介绍了使用角度复用方法制备的偏振分束器和偏振控制型 1×4 光开关。偏振分束器可将入射光束分解为两个偏振态正交的光束。典型实例包括线偏振分束器，可将光分解为水平和垂直偏振分量；以及圆偏振分束器，可将光分解为左旋和右旋圆偏振分量。图1 展示了圆偏振分束器的制备示意图。偏振控制型 1×4 光开关则是由四个偏振全息图组成，这些全息图通过角度复用技术在依次记录在介质的同一空间区域内，如图2 所示。 |
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| 图1. 圆偏振分束器原理示意图。(a)记录过程；(b)重建过程 |
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| 图2. 偏振控制型1×4光开关原理示意图。(a)记录过程；(b)重建过程 |
接着，文章通过偏振探测器和聚焦偏振转换器的制备，展示偏光全息技术是如何实现联级光学元件的功能。偏振探测器的原理是通过精心设计的偏振全息图技术，将 “四分之一波片 + 固定线偏振器” 的复合功能集成于全息光学元件内，其原理示意图如图3 所示。聚焦偏振转换器则是在全息光学元件内集成了“偏振操控 + 聚焦” 的协同功能。其原理示意图如图4所示。采用传统方法，这些器件的功能需要多个不同功能的光学元件联级组合才能实现。基于偏光全息技术的创新方案则通过精简组件数量，既简化了光学系统设计流程，也助力降低制造成本。 |
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| 图3. 基于偏振全息技术的偏振探测器原理示意图 |
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| 图4. 聚焦偏振转换器，可实现任意偏振转换与光束聚焦 |
之后，文章又介绍了通过记录多个偏振全息图来实现单个全息图难以或无法达成的功能，其中包括聚焦结构光发生器和全光逻辑门。聚焦结构光发生器利用两张偏振全息图曝光形成的复合全息图制备，图5 展示了基于该设计方案的聚焦式结构化光束发生器的实现。图6 和图7 则展示了如何通过设计复合偏振全息图，以紧凑高效的方式实现全部七种基础全光逻辑门。 |
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| 图5 利用复合偏振全息图实现聚焦结构光束的生成与切换 |
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| 图6 全光逻辑门实验结果：(a)–(e)分别展示了 NAND、OR、 XNOR 、NO T和 XOR 逻辑门 |
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| 图7 NOR和AND全光逻辑门的实验结果：(a) NOR 门和 (b) AND 门 |
最后，文中还探讨了测量标量和张量曝光系数的方法，这些参数对调节全息介质的各向异性响应至关重要。这些进展共同确立了偏光全息作 为一种多功能和强大的工具，用于设计下一代光学系统，在微型化设备、集成光子学和其他方面极具潜力的应用前景。偏光全息技术通过将偏振信息编码到偏光全息图中，显著扩展了全息光学元件的能力。展望未来，偏光全息技术将在新一代集成光子器件的研发中展现出巨大潜力，其能在单一薄型元件内融合波前整形与偏振工程的核心优势，将在光通信、光束整形、信息加密、量子光子学等领域发挥不可替代的关键作用。 |
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本综述以“Polarization holography in the fabrication of holographic optical elements”为题发表在 Opto-Electronic Journals Group 旗下学术期刊《Opto-Electronics Plus》，Vol.1，No.3，250008 (2025)上。 论文的相关链接：https://www.oejournal.org/oep/article/doi/10.29026/oep.2025.250008 |
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(2025.09.08)
