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偏光全息的再现特性

偏光全息的再现特性

作者：林阿愿福建师范大学

学位级别：硕士

全息是利用光的干涉和衍射原理来记录和再现信息的。在全息的记录阶段,让信号光和参考光在感光材料上进行干涉,生成的干涉条纹中包含了信号光的振幅和相位信息。在再现阶段中,用一束严格满足布拉格条件的读取光照射被记录下来的全息图,... 详细信息

全息是利用光的干涉和衍射原理来记录和再现信息的。在全息的记录阶段,让信号光和参考光在感光材料上进行干涉,生成的干涉条纹中包含了信号光的振幅和相位信息。在再现阶段中,用一束严格满足布拉格条件的读取光照射被记录下来的全息图,将生成再现光。上述的全息中,感光材料只对强度响应,因此也被称为强度全息。在偏光全息中所使用的感光材料不仅对强度敏感,还对光的偏振态敏感,因此即使记录阶段中两束光的偏振态是互相正交的,在感光材料中也能够将光波中包括振幅、相位和偏振在内的所有信息记录下来。偏光全息也因其能够记录下光波中的全部信息,被视为真正意义上的“全息”,受到了人们的广泛关注。在基于琼斯理论的偏光全息中,信号光和参考光需要在傍轴条件下进行全息图的记录过程,这大大限制了偏光全息的理论探究和实际应用。在2011年,日本的Kuroda等人提出了基于张量方法的新的偏光全息理论。在该理论中,用介电张量来表示记录材料的折射率变化,并且通过求解麦克斯韦方程组得到波动方程,描述了偏光全息的记录过程与再现过程,最终给出了再现光的光场表达式。在张量偏光全息理论中,任意记录角度下的偏光全息都可以进行准确的描述,并且在傍轴近似下的结果与琼斯理论的结果一致。本文将基于张量方法的偏光全息理论,分别对正交和同偏振记录的偏光全息的再现特性展开研究。(1)偏光全息有三种特殊的再现情形,分别是忠实再现、零再现和正交再现。由这三种特殊情形的组合,就可以得到任意的再现特性。忠实再现与零再现已经有许多理论进展和实际应用,但是关于正交再现的研究却非常缺乏。基于张量偏光全息理论,本文推导了正交偏振光记录的偏光全息的再现光光场。将具有一般性的椭圆偏振光代入通式中可以发现,观察正交再现的关键在于记录角度的大小。记录角为钝角且角度越大,越容易观察到正交再现。本文对该理论推导结果进行了记录角度为120°和150°的实验,实验结果与理论预测是一致的。(2)任意偏振记录的偏光全息可以视为正交偏振记录的偏光全息和同偏振记录的偏光全息的叠加。在此之前,对正交偏振记录偏光全息再现特性的研究已经有许多成果,但还缺少对同偏振记录偏光全息再现特性的探究。除此之外,因为在记录过程中使用的是对偏振不响应的材料,所以强度全息不能记录偏振信息。在这种情况下,仅信号光和参考光中相同的偏振分量是对全息有作用的,因此强度全息也可以视为两束同偏振的光进行干涉,其再现光的偏振态始终与读取光的保持一致。本文基于张量偏光全息理论,推导了相同椭圆偏振光记录的偏光全息再现光的光场并对同偏振记录偏光全息再现特性的探究。理论分析指出,即使使用相同偏振光记录的偏光全息,也可以出现忠实再现、零再现和正交再现。如果使用的材料对偏振并不敏感,再现特性将与强度全息的一致。

关键词：偏光全息张量理论椭圆偏振态相同偏振态忠实再现零再现正交再现

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偏光全息生成涡旋光束的研究

偏光全息生成涡旋光束的研究

作者：叶天福建师范大学

学位级别：硕士

广义来说,涡旋光束包括偏振涡旋光束和相位涡旋光束两大类。偏振涡旋光束又被称为矢量光束(VB:Vector Beam),即在光场横截面上偏振态呈现涡旋分布的光束。与常见的线偏振、圆偏振和椭圆偏振光等偏振态均匀分布的标量光不一样的是,VB的... 详细信息

广义来说,涡旋光束包括偏振涡旋光束和相位涡旋光束两大类。偏振涡旋光束又被称为矢量光束(VB:Vector Beam),即在光场横截面上偏振态呈现涡旋分布的光束。与常见的线偏振、圆偏振和椭圆偏振光等偏振态均匀分布的标量光不一样的是,VB的偏振分布是空间非均匀的,光场横截面中沿角向的每相邻两点的偏振态都不相同,在超分辨成像、等离子激发、激光加工、光通信和粒子光学捕获等应用领域有着独特的优势。相位涡旋光束又被称为标量涡旋光束(SVB:Scalar Vortex Beam),或轨道角动量(OAM:Orbital Angular Momentum)光束,即光波的相位波前呈螺旋形,其复振幅表达式中含有螺旋相位exp(ilφ),且理论上具有无限正交态。以上特性使SVB在光镊、光学捕获、显微成像和光通信等领域有着潜在的应用。产生VB和SVB的方法有很多,按照产生过程中有无增益介质,可以将其分为腔内法和腔外法两大类。腔内法可以在激光器的输出端直接产生目标涡旋光束。腔外法即是在激光从谐振腔端口输出后,使用一些特殊的器件,将普通的光束转化为VB或SVB的方法。这些生成方法往往都面临着装置复杂、成本高昂和不易于调整等缺点,因此,人们迫切需要更加简洁有效的产生VB和SVB的方法。偏光全息技术区别于传统的全息术只能记录光波的振幅和相位,它还可以记录光波的偏振信息。因此,偏光全息比传统全息更具有发展前景。偏光全息的张量理论是一种强有力的工具,可以用来描述偏光全息在任意记录情况下的再现特性。偏光全息的研究先前主要涉及理论描述,现在更多的涉及到应用研究。基于偏光全息技术,有一些应用已经被报道,如偏振复用、光波的斯托克斯参数测量、圆偏振光发生器和基于忠实再现原理的涡旋光束发生器等。本论文基于张量理论描述的偏光全息方法,提出了将完成记录的偏光全息图作为偏振器件,实现与半波片相同的偏振态转换。然后基于记录半波片快轴所需的偏光全息记录条件,结合全息动态记录装置,设计并生成了具有非均匀半波片快轴分布的偏光全息图。这种偏光全息图具有非均匀的半波片快轴,不会像基于忠实再现原理设计的偏光全息图那样限定读取光的偏振态。在本工作中,改变读取光的偏振态可以产生不同光束模式的再现光。当线偏振光读取时,将会产生VB;当圆偏振光读取时,将会产生SVB。生成的非均匀偏光全息图的拓扑荷数是任意可调的,这取决于记录过程中扇形光阑与半波片的角速度比值,因此可以生成任意的VB和SVB。这个结论证明了我们提供了一种更方便的用于生成VB和SVB的方法。

关键词：偏光全息涡旋光束光场调控半波片

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线偏光全息中曝光响应系数的特性研究

线偏光全息中曝光响应系数的特性研究

作者：袁欣怡福建师范大学

学位级别：硕士

偏光全息通过干涉可以同时在各向异性介质上记录光的振幅、相位和偏振态。因为偏光全息能够在全息图中额外记录信号光的偏振信息,故在全息领域独具优势。近年来对于偏光全息的研究是基于张量的偏光全息理论开展的,该理论可以解释一些不... 详细信息

偏光全息通过干涉可以同时在各向异性介质上记录光的振幅、相位和偏振态。因为偏光全息能够在全息图中额外记录信号光的偏振信息,故在全息领域独具优势。近年来对于偏光全息的研究是基于张量的偏光全息理论开展的,该理论可以解释一些不同干涉条件下的实验现象。近期的研究显示,偏光全息在光学存储、元器件制备、光场调控等方面都具有潜在的应用。当已知干涉角、信号光、参考光、读取光和曝光响应系数α/β时,根据张量偏光全息理论就可以推导出衍射光的表达式。然而许多与理论相符的实验特征的出现需要α/β满足一些特殊的条件。在偏光全息理论中,α和β是指光致变化所导致介电张量的标量和张量部分的系数,α/β则是称之为曝光响应系数,这一系数是控制衍射光偏振态的关键因素之一。菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯光致聚合物(PQ/PMMA)具有光致收缩小、感光灵敏度高和光致各向异性的特点,故作为本工作的实验记录材料。研究内容主要针对线偏光全息中曝光响应系数α/β的变化规律进行探究,通过改变记录过程中一系列的曝光条件,测量了PQ/PMMA的曝光响应系数。这一研究主要选取了两种特殊的实验情况进行测量,并对曝光响应系数的初始值进行了分析和整理,找到了其变化规律并拟合出相关的数学表达式。最后经过实验验证,证明了该公式可以用于预测曝光响应系数α/β的初始值,为日后控制衍射光的偏振态提供了便利条件。

关键词：偏光全息介电张量曝光响应系数线偏振光衍射光

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基于偏光全息的矢量光场生成技术

基于偏光全息的矢量光场生成技术

作者：黄璐福建师范大学

学位级别：硕士

近年来,矢量光场由于其独特的性质在各方面都有着广大的应用,如光捕获、激光加工、超分辨率显微镜、光通信、粒子加速和荧光成像等。矢量光场的产生方法已成为国内外的研究热点之一。目前产生矢量光场的方法可分为主动产生法和被动产生... 详细信息

近年来,矢量光场由于其独特的性质在各方面都有着广大的应用,如光捕获、激光加工、超分辨率显微镜、光通信、粒子加速和荧光成像等。矢量光场的产生方法已成为国内外的研究热点之一。目前产生矢量光场的方法可分为主动产生法和被动产生法两种。主动产生法灵活性较低,只能够产生特定的矢量光场;而被动产生法在产生过程中具有耗费时间长、成本高、加工复杂及效率低等缺点。因此,本论文基于偏光全息理论的忠实再现效应,通过构造特定的偏振干涉光场,提出了一种全新的矢量光场生成技术。该矢量光场生成技术主要是由扇形狭缝和半波片组成的可调节的动态曝光调控系统构成,通过调节动态曝光调控系统中扇形狭缝和半波片的相对旋转速度和初始偏振态,从而制备将线偏振光转换为矢量光束的矢量光场生成元件。该实验在90°的干涉角度下,利用块状PQ/PMMA偏振敏感材料生成了一阶与二阶的矢量光场,加工时间仅需6分钟。通过对实验结果与理论模拟结果的分析与对比,验证了该方案的可实现生成不同阶数的矢量光场。本文提出的矢量光场生成技术弥补了传统方法效率低、成本高、操作复杂等缺点,具有生成速度快,效率高,操作简单,成本低等优点,并为基于偏光全息实现调控光场提供了新的可能性。

关键词：偏光全息忠实再现效应块状偏振敏感材料矢量光场

基于PQ/PMMA光致聚合物偏光全息存储特性的研究

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基于PQ/PMMA光致聚合物偏光全息存储特性的研究

作者：刘杰福建师范大学

学位级别：硕士

大数据时代使得全球信息量暴涨,传统的磁盘、光盘等存储方法受技术和成本的限制,逐渐难以满足海量数据信息带来的指数级增长的存储需求。体全息存储技术采用多维的大容量、高密度存储模式,这种数据存储技术具有成本低、寿命长、容量大... 详细信息

大数据时代使得全球信息量暴涨,传统的磁盘、光盘等存储方法受技术和成本的限制,逐渐难以满足海量数据信息带来的指数级增长的存储需求。体全息存储技术采用多维的大容量、高密度存储模式,这种数据存储技术具有成本低、寿命长、容量大、密度高及传输速度快等优点。其中,全息存储材料作为一种信息存储介质,对体全息存储技术的应用发展起着重要作用。菲醌掺杂的聚甲基丙烯酸甲酯（PQ/PMMA）光致聚合物具有厚度可控、制备成本低、光致收缩率低和寿命较长等特点。同时该材料又具有偏振敏感性,可用于偏振态的信息记录,因此受到业界众多研究者的重点关注。由于传统PQ/PMMA材料存在衍射效率、光致双折射较低,以及感光灵敏度较低等问题。在本文中,通过将还原氧化石墨烯（RGO）纳米片引入到传统PQ/PMMA材料中,成功合成了基于RGO嫁接的PQ/PMMA（RGO-PMMA/PQ）光致聚合物新型复合材料。此外,提出了一种针对纳米粒子尺寸分级的方法,成功将RGO精确分级为所需的相应尺寸,制备了不同尺寸RGO掺杂的RGO-PMMA/PQ材料,实现了PQ/PMMA材料全息性能的显著改善和提升。并且,采用各种微观表征手段测试了RGO与PQ/PMMA材料之间的作用机理,实现了在微观和介观层面对材料全息性能的共同调控。本文的主要研究工作如下:（1）本文研究并优化了PQ/PMMA光致聚合物材料的制备工艺,根据张量理论研究分析了材料在偏光全息中的光响应特性,利用同轴全息存储光学系统,探究了材料在偏光全息中的记录与再现机制。（2）引入了含有类似苯环结构的单层RGO纳米片,并成功合成了具有高性能偏光全息特性的新型RGO-PMMA/PQ材料。在热致聚合反应过程中,RGO具有的特定表面结构可促进单体甲基丙烯酸甲酯（MMA）聚合,提升MMA的转化率,有利于提高大分子聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物的分子量,在RGO基面上诱导更多大分子PMMA聚合物进行嫁接。通过热致聚合的方式成功制备了RGO-PMMA/PQ材料,对比原始PQ/PMMA材料,新材料的偏光衍射效率可提升至～8.0%,感光灵敏度提升至～2.7×10cm/J,光致双折射值提升至～5.5×10。（3）本文提出了一种对纳米粒子尺寸分级的方法,可将具有单层片状结构的RGO有效分级为不同尺寸。实验结果表明,不同横向尺寸RGO对光致聚合物材料的全息性能有着不同程度的重要影响。适宜尺寸的RGO更有利于促进单体MMA的聚合,可以诱导更多PMMA聚合物在其表面接枝,通过调节PMMA聚合物分子量从而使材料获得更好的全息性能。经过尺寸分级得到的RGO合成的RGO-PMMA/PQ材料的偏光衍射效率达～11.4%,原始PQ/PMMA材料的偏光衍射效率为～4.0%,且感光灵敏度也显著提高了4.6倍。（4）本文结合傅里叶变换红外光谱仪、热重分析仪、透射电子显微镜、紫外分光光度计等测试方法,对聚合物材料的形貌、结构等微观反应机理进行了研究与分析。并在离轴全息光学系统中通过角度复用的方法测试了RGO-PMMA/PQ材料的光致收缩情况。实验发现,该材料的光致收缩从原始PQ/PMMA材料的0.5%降到了0.1%,具有更好的结构特性。（5）使用同轴式全息存储系统对制备的样品进行了全息图像记录实验,实现了具有高质量全息图像的记录与再现。实验发现,合成的新型RGO-PMMA/PQ材料具有较高的全息存储特性,可以很好的应用于全息数据信息存储技术。

关键词：全息存储光致聚合物偏光全息 RGO 尺寸分级

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基于偏光全息的光场三维调控

基于偏光全息的光场三维调控

作者：柯圣惠福建师范大学

学位级别：硕士

随着信息技术的发展,数据量呈爆炸式增长,海量信息存储将是未来需要面对的一大挑战。因此,未来需要一种高密度、低成本、长寿命的存储方式解决数据存储问题。不同于传统的磁存储,全息光存储技术能够实现三维体存储,从而实现高密度存储... 详细信息

随着信息技术的发展,数据量呈爆炸式增长,海量信息存储将是未来需要面对的一大挑战。因此,未来需要一种高密度、低成本、长寿命的存储方式解决数据存储问题。不同于传统的磁存储,全息光存储技术能够实现三维体存储,从而实现高密度存储。将具有偏振敏感特性的光致聚合物PQ/PMMA作为记录材料,成本较低,记录信息后能够达到长时间存储的目的。全息光存储技术将有望实现超高密度存储、超长寿命保存、超低能耗环保的新型存储。光作为全息光存储的信息载体,具有许多可调控的维度,例如波长、振幅、相位和偏振等。目前,在全息光存储对复振幅编解码的研究中,实现了振幅和相位的二维调控。不同于传统全息,偏光全息不仅可以记录光波的振幅和相位信息,还可以在偏振敏感材料中记录光的偏振信息。在偏光全息的发展中,发现了有利于全息光存储应用的忠实再现和零再现现象。利用这些现象,在多通道记录中实现了对振幅和偏振的二维调控,在矢量涡旋光束存储中实现了对偏振和相位的二维调控。但在全息光存储中,还未发现同时实现对振幅、相位和偏振进行三维调控的相关研究。因此,本文中提出了提升存储维度的方法,以具有偏振敏感特性的材料作为记录材料,将偏振维度引入全息光存储中,从而提升全息光存储的存储密度。本文基于偏光全息理论,围绕光的偏振维度展开。首先,对光的振幅和偏振二维调控进行研究,提出基于材料特性C/D的偏振复用,由此实现在任意干涉夹角下对振幅和偏振的二维调控,这将有利于全息光存储系统设计的灵活性。然后,本文探究了同时对相位和偏振进行调控的情况,利用干涉法检测再现光的相位分布情况,观察其相位和偏振是否会存在相互影响的现象。实验证明,通过基于材料特性C/D的偏振复用,再现光能够忠实再现信号光的相位信息。最后,本文设计实验探究了振幅、相位和偏振的三维调控。实验证明,能够实现对灰度值为0和255的2阶振幅、0和π的2阶相位以及偏振的三维调控。为将三维调控更好的应用在全息光存储中,将其编码数据页设计成棋盘格的形式。由此,实现在任意干涉夹角下灰度值为200和250的2阶振幅、0和π的2阶相位以及偏振的三维调控。在本文中,提出了增加光的存储维度以提升存储密度的方法,实现了将三维调控应用到全息光存储中的设想。可以预见,随着全息光存储的复振幅编解码和偏光全息的不断发展,针对振幅、相位和偏振的多维编码将是未来发展的趋势,也是极具提升存储密度潜力的方法。

关键词：偏光全息光场调控全息光存储零再现忠实再现

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基于偏光全息忠实再现特性的光束发生器

基于偏光全息忠实再现特性的光束发生器

作者：郑淑君福建师范大学

学位级别：硕士

偏光全息术因其在光致各向异性材料中记录光波的振幅、相位和偏振态三种信息的独特能力而备受瞩目。以介电张量方法为基础的偏光全息理论在处理信号光与参考光之间夹角任意的情况下具有显著的适用性。近年来,该理论的研究取得了显著进展... 详细信息

偏光全息术因其在光致各向异性材料中记录光波的振幅、相位和偏振态三种信息的独特能力而备受瞩目。以介电张量方法为基础的偏光全息理论在处理信号光与参考光之间夹角任意的情况下具有显著的适用性。近年来,该理论的研究取得了显著进展,相继报道了满足布拉格条件的忠实再现、零再现和反转再现等现象。其中,忠实再现是指再现光在偏振态上与信号光保持一致,这意味着可以精确读取材料中所储存的光学信息。然而,为了实现忠实再现,通常需要满足严苛的曝光能量等条件。具有特殊相位和强度分布的标量涡旋光束,以及同时具有不均匀偏振和独特相位分布的矢量涡旋光束,在光操纵领域具有重要的应用潜力。为了进行这类光束的研究和应用,生成此类光束被视为一个至关重要的前提。然而,以往的光束生成方法往往面临着系统结构复杂、加工工艺要求高或成本高等挑战。因此,探索低成本、制备简单的光束生成器件是一项具有重要意义的工作。本文提出了一种基于偏光全息的忠实再现特性以研制能够产生标量涡旋光束和矢量涡旋光束的器件的新方法。该方法建立在摆脱曝光能量限制且实现任意偏振态忠实再现的特殊条件基础之上,并采用实时记录的方式在偏振敏感材料内部进行研制。在理论推导的基础上,本文设计了实验装置,并进行了实验验证,从而证实了该方法的可行性和正确性。本文的研究对偏光全息术的应用范畴进行了扩展,提出了一种简单易行的特殊光束发生器的研制方法。在实验中采用的记录载体易于制作,所选用的基础材料价格低廉,并且所使用的设备均为廉价的通用偏振器件。该方法具有制作工艺简单、成本低的优点,同时也为利用偏光全息术制备偏振光学元件提供了新的途径。

关键词：偏光全息忠实再现光涡旋矢量涡旋介电张量理论偏振敏感材料

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基于偏光全息的光场调控研究进展

光电工程 2022年第11期49卷 29-43页

作者：郑淑君林枭黄志云黄璐张远颖杨毅谭小地福建师范大学光电与信息工程学院信息光子学研究中心福建福州350117 福建师范大学光电与信息工程学院医学光电科学与技术教育部重点实验室福建省光子技术重点实验室福建省光电传感应用工程技术研究中心福建福州350117

偏光全息拥有记录振幅、相位和偏振信息的能力,在数据存储、偏振光成像等领域具有重要的应用前景。除此之外,它也具备光场调控方面的能力,可以调控具有螺旋相位分布和空间偏振分布等特殊光场,这类特殊光场在光通信、粒子操纵及光子纠缠... 详细信息

偏光全息拥有记录振幅、相位和偏振信息的能力,在数据存储、偏振光成像等领域具有重要的应用前景。除此之外,它也具备光场调控方面的能力,可以调控具有螺旋相位分布和空间偏振分布等特殊光场,这类特殊光场在光通信、粒子操纵及光子纠缠等领域有广泛的应用前景,目前也有很多研究聚焦于如何生成这类光束。本文介绍了利用偏光全息制备矢量光束、标量涡旋光束和矢量涡旋光束的最新研究进展。基于偏光全息进行光场调控的方法,具有制备过程操作简单、光学系统体积小、制作成本低的优势,为特殊光场制造提供新的思路。

关键词：偏光全息光场调控矢量涡旋矢量光场光涡旋

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偏光全息研究历程与展望

中国光学 2017年第5期10卷 588-602页

作者：洪一凡臧金亮刘颖范凤兰吴安安邵龙康果果谭小地北京理工大学光电学院信息光学研究室北京100081 日本东京大学生产技术研究所

全息是目前一项极具前景的科学技术,即通过信号光和参考光的干涉,在小小的全息图上记录丰富的信息。相比于传统全息仅记录光波的相位、振幅信息,偏光全息可以将额外的偏振信息记录于偏振态敏感材料中。本文从偏光全息材料入手,详细介绍... 详细信息

全息是目前一项极具前景的科学技术,即通过信号光和参考光的干涉,在小小的全息图上记录丰富的信息。相比于传统全息仅记录光波的相位、振幅信息,偏光全息可以将额外的偏振信息记录于偏振态敏感材料中。本文从偏光全息材料入手,详细介绍了偏光全息生产过程;同时介绍基于琼斯理论和张量理论的偏光全息原理和研究进展;最后描述了偏光全息在全息存储和纳米光学领域的发展前景。

关键词：偏光全息琼斯理论张量理论偏振态