1 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
立足于偏振态空域调控技术，矢量光束所特有的偏振态空间结构属性，使其在光学及其交叉学科领域表现出巨大的研究价值和应用潜力。以往的研究主要关注偏振态的横向空域调控，而纵向(传播)方向同样是重要的光场调控维度，偏振态纵向变化矢量光束的出现，拓展了矢量光束的调控维度，为光与物质的相互作用带来更多可能，引起了广泛关注。文中围绕着偏振态纵向空域调控技术的发展，介绍了基于纵向变化位相差和振幅差的偏振态纵向变化矢量光束生成理论，并总结归纳了利用相位调制和空间频谱滤波的两类实验生成方法。此外，文中还对偏振态纵向变化矢量光束目前存在的问题进行了讨论，并对其发展前景进行了展望。
矢量光束 偏振 贝塞尔光束 庞加莱球 vector beam polarization Bessel beam Poincaré sphere 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230362
1 航天工程大学宇航科学与技术系，北京 101416
2 航天工程大学基础部，北京 101416
柱矢量涡旋光束偏振态呈现柱对称分布并且具有螺旋形相位波前，可以用混合阶庞加莱球表示。基于对琼斯矩阵的推导，提出并验证了一种利用涡旋半波片产生多种混合阶庞加莱球光束的方法。通过合理设计涡旋半波片和半波片、1/4波片的组合，能够产生混合阶庞加莱球上任意位置对应的柱矢量涡旋光束。通过级联多个涡旋半波片，能够进一步扩大混合阶庞加莱球光束的阶数范围。实验上，对制备出的多种混合阶庞加莱球光束的偏振态分布进行了测量，并验证了其偏振阶数和拓扑荷数。该方法光路简单、调节方便，可以实现对拓扑荷数和偏振阶数的独立调控，在光学微操控、光学探测与传感，以及矢量涡旋光源设计等方面有潜在的应用价值。
物理光学 混合阶庞加莱球 柱矢量涡旋光束 琼斯矩阵 斯托克斯参数 光学学报
2022, 42(22): 2226001
1 西安交通大学国家级物理实验教学示范中心, 陕西 西安 710049
2 西安交通大学物质非平衡合成与调控教育部重点实验室, 陕西 西安 710049
3 西安交通大学陕西省量子信息与光电量子器件重点实验室, 陕西 西安 710049
矢量涡旋光在光学微操控和光通信领域均具有独特优势。旋转多普勒效应常应用于涡旋光拓扑荷的研究, 分析矢量涡旋光的旋转多普勒效应可以有效导出其丰富的偏振性质。提出了一种基于旋转多普勒效应分辨矢量涡旋光偏振旋转方向的方法, 对应于矢量涡旋光符号的识别。在所提出方法中, 矢量光经过旋转物体散射, 散射光由于多普勒效应, 各组分之间产生强度随时间周期性变化的拍频信号。拍频信号变化函数的相位取决于矢量涡旋在高阶庞加莱球上的代表点的赤道角, 相位变化率取决于涡旋光拓扑荷。本工作提出测量理论并通过实验验证了涡旋方向相反的两种矢量光的拍频信号, 为矢量涡旋光拓扑荷的符号测量提供了一种新的可行方法。
光通信 矢量涡旋光 高阶庞加莱球 旋转多普勒效应 矢量涡旋拓扑荷 optical communication vector vortex beam higher-order Poincaré sphere rotational Doppler effect topological charges of vector vortex
对非傍轴条件下光学角动量及自旋-轨道耦合的研究有助于人们认识亚波长结构中的光现象，近场中的倏逝波也可能产生强烈的自旋-轨道耦合。基于角谱衍射理论和Parseval定理，详细分析了高阶庞加莱球上拉盖尔-高斯矢量涡旋光束的传播波、倏逝波和角动量的近场演化特性以及倏逝波引起的自旋-轨道耦合。结果表明，在亚波长束腰宽度光束的源平面附近倏逝波作用强烈，在总光场中占主导地位。此外，近场中的轨道角动量同时包含横向电场和纵向电场的贡献，倏逝波中横向自旋角动量和横向偏振态相关，且存在自旋方向锁定现象。该研究为矢量涡旋光束在亚波长结构中的研究和应用提供了理论依据。
物理光学 自旋-轨道耦合 角动量 倏逝波 矢量涡旋光束 高阶庞加莱球 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0726001
大连理工大学机械工程与材料能源学部机械工程学院，辽宁 大连 116023
相较于传统的非偏振光学探测方法，Stokes-Mueller矩阵成像技术可反映出丰富的生物组织微观结构信息，被广泛应用于组织病变检测。本文探究了生物组织结构的庞加莱球表征方法，采用Mueller矩阵极化分解方法提取了可以表征介质基本偏振特性的3个表征向量——延迟向量(R)、二向色性向量(D)、偏振向量(P)，并将其中的P向量和D向量绘制在庞加莱球上，以样本点聚集中心距为评价指标对比向量差异。以骨骼肌组织和纤维结缔组织的细胞核和纤维结构为研究对象，探究了同一生物组织不同结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律，进一步对比分析了不同生物组织相似结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律。研究发现，对于两种生物组织中相似结构的P向量和D向量的表征差异，纤维结缔组织优于骨骼肌组织8%以上。对于单一生物组织中的两种结构的表征差异，P向量优于D向量19.7%以上。实验结果表明，庞加莱球方法可以用于表征生物组织的不同结构，并作为生物组织表征的潜在技术手段。
生物医学 偏振成像探测 Mueller矩阵参数 庞加莱球 生物组织表征
1 北京理工大学 光电学院，北京 100081
2 信息光子技术工业和信息化部重点实验室，北京 100081
3 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
作为新型结构光束的一类，全庞加莱球光束因其横截面上自旋角动量和轨道角动量发生耦合，近年来在自由空间光通信领域内受到广泛关注。然而，传输信道中的大气湍流将产生诸如光束扩展、漂移、光强闪烁等严重影响，进而限制光通信系统性能。结合随机相位屏，对具有“C”型偏振奇点的全庞加莱球光束、“V”型偏振奇点的柱矢量光束和均匀偏振的标量涡旋光束在湍流大气中的传播进行大量的数值模拟。归一化光强相关系数和模式纯度被用于研究杂合庞加莱球表面不同位置处表征的全庞加莱球的稳定性。结果表明，相较于具有相似偏振拓扑荷和光强分布的柱矢量光束以及标量涡旋光束而言，坐标位于南半球的全庞加莱球光束在弱湍流和中湍流(r0=0.5 m, 0.125 m)下具有较高稳定性。而在强湍流下(r0=0.056 m)，优势区域缩小至2σ∈[−5π/32, 0](纬度坐标)。上述结果将为自由空间远距离通信中传输介质的选取提供重要依据并进一步促进通信质量的提升。
全庞加莱球光束 大气湍流 高稳定性 杂合庞加莱球 full Poincaré beams atmosphere turbulence higher robustness hybrid-order Poincaré sphere 红外与激光工程
2021, 50(9): 20210242
红外与激光工程
2021, 50(9): 20210447
长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
延迟器作为改变光信号偏振态的一种重要光学器件, 具有高偏振变换精度、低成本、算法简单等特点, 利用一个1/4波片和一个1/2波片组合可实现对径向矢量光场偏振调制的新方法, 采用Jones矩阵算法分析了双波片的调制机理, 将光场的偏振演化规律在庞加莱球上表示, 并通过实验验证理论分析的正确性, 研究结果表明: 双延迟器结构可实现对径向矢量光场的复杂偏振调控, 并获得光强均匀分布、偏振态有规律分布的矢量光束。
矢量光场 偏振 Jones矩阵 庞加莱球 vector field polarization Jones matrix Poincaré 红外与激光工程
2019, 48(5): 0517006
1 南开大学物理科学学院,弱光非线性光子学教育部重点实验室, 天津 300071
2 南京大学固体微结构物理国家重点实验室,人工微结构科学与技术协同创新中心, 江苏 南京 210093
3 曲阜师范大学物理工程学院,山东省激光偏光与信息技术重点实验室, 山东 曲阜 273165
作为光的一个基本属性,偏振态提供的自由度对光场调控具有重要作用。具有空间结构偏振态分布的矢量光场因其具有不同于传统标量光场的独特性质而被应用于诸多领域,但矢量光场的早期研究主要集中于柱对称的局域线偏振矢量光场。近年来,偏振态分布更加丰富的新型矢量光场逐渐得到关注,这些新型矢量光场的出现丰富了矢量光场的种类并提供了新的调控自由度,被应用于焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光信息传输等领域。综述了近年来出现的新型矢量光场,包括柱坐标系中的杂化偏振矢量光场、庞加莱球相关的矢量光场、阵列矢量光场、多奇点矢量光场和其他非柱对称的矢量光场,介绍了其进展、设计方案、实验生成、性质和相关应用。
物理光学 偏振态 矢量光场 光场调控 庞加莱球 奇点
