期刊基本信息
创刊:
1981年 • 半月刊
名称:
光学学报
英文:
Acta Optica Sinica
主管单位:
中国科协
主办单位:
中国科学院上海光机所
中国光学学会
出版单位:
中国激光杂志社
主编:
龚旗煌
执行主编:
赵建林
副主编:
邵建达 刘文清 华灯鑫 张旭苹 刘辉
ISSN:
0253-2239
刊号:
CN 31-1252/O4
电话:
021-69916837
邮箱:
地址:
上海市嘉定区清河路390号
邮编:
201800
定价:
150元/期
动态信息

2020年第23期封面故事(二): 打破平衡!线偏光全息忠实再现条件更宽松

发布:hzm43533110阅读:926时间:2021-1-27 10:09:36

打破平衡!线偏光全息忠实再现条件更宽松

封面文章| 《光学学报》2020年第23期封面故事二:齐沛良;朱莉莉;王瑾瑜;宋海洋;陈宇昕;谭小地;线偏光全息的忠实再现条件研究[J]. 光学学报, 2020, 40(23): 2309001.

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1、背景

全息技术诞生至今已有80年,其在数字图像处理、干涉计量等领域都有广泛的应用。


全息技术的应用(图片来自网络)

与传统全息相比,偏光全息不仅记录了光的振幅和相位,同时还可以记录光的偏振信息,因此在1974年被提出后就引起了研究人员的广泛兴趣。

2009年,科研人员通过引入了琼斯矩阵来描述偏光全息的记录与再现过程,建立起了一套较为完整的偏光全息理论,但该理论仅在傍轴近似的条件下才能成立,即信号光和参考光之间的干涉夹角近似为零。

2011年,科研人员又提出了基于张量的偏光全息理论。该理论突破了传统琼斯理论小角度近似的限制,扩展了偏光全息理论可解释与研究的范围。因此,张量偏光全息理论具有普遍性和全面性。

偏光全息的忠实再现是指衍射光的偏振状态与信号光的完全相同,该现象在图像再现、信息存储、微纳加工等领域都有很重要的应用。

此前的研究表明,线偏光全息只有在记录的强度响应光栅和偏振响应光栅达到平衡,且记录与再现参考光波的偏振方向一致时,才能够实现忠实再现。由于在实验中实现该条件较为苛刻,极大限制了线偏光全息的应用。

2、线偏光全息的忠实再现条件研究

福建师范大学谭小地教授课题组采用基于张量的偏光全息理论,探索出不需要满足强度响应光栅和偏振响应光栅平衡就能够实现线偏光全息忠实再现的新方法。

理论研究表明,使用偏振方向在入射面内的线偏光作为记录参考光,且记录干涉夹角为90°时,只要再现与记录参考光的偏振方向不相互正交,就可以实现对再现光偏振态的忠实再现。

为了验证理论结果,课题组设计了如图1所示的实验装置。


图1线偏振偏光全息实验光路图

在记录过程采用在入射面内,且与传播方向垂直的 偏振作为记录参考光,信号光分别选用偏振方向角为0°,35.26°,45°,54.74°,90°的线偏振光,控制两记录光在材料中的干涉夹角为90度。通过周期性的交替开关电子快门ES1和ES3,控制偏光全息干涉记录和短暂观察再现光的时间。当再现光光强随着曝光时间的增加无明显上升趋势,且光强大小保持相对稳定时,停止偏光全息记录。

在再现过程中,电子快门ES1关闭,电子快门ES2和ES3周期性地同步开关控制短暂观察再现光的时间。在电子快门ES2关闭的情况下,改变读取参考光的偏振方向,观察再现光的偏振方向和光强的变化。再现光由PBS2分为 偏振分量和 偏振分量,再分别由后方功率计检测其光强的变化情况,以此可分析出再现光的偏振方向。


图2(a)再现光的偏振角度与读取参考光偏振角度的关系;(b)再现光光强与读取参考光偏振角度的关系

实验结果如图2所示。图2(a)和(b)分别给出再现光的偏振角度和光强随着读取参考光偏振角度的变化情况。当使用不同线偏振光记录时,无论读取参考光的偏振方向如何变化,再现光的偏振方向角始终在记录所用信号光的偏振方向角附近,且光强度随着读取参考光的偏振方向角呈余弦函数的二次方变化。

当读取光偏振方向角在90°与270°这两个度数附近时,再线光强几乎为零(零再现),因此产生较大的误差。实验结果证明,线偏光全息可以在更宽松条件下,实现对信号光波的忠实再现。该结论有助于拓展对偏光全息的认知,并可以依此结论设计和制作出偏光全息器件。

3、后续工作

在后续的工作中,课题组将继续研究更加宽松的忠实再现条件,进一步简化忠实再现的实验难度。同时将探索偏光全息技术在图像再现、信息存储、微纳加工等领域的应用。