摘要：液晶空間光調(diào)制器是一種可以對(duì)光的相位、振幅以及偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控的可編程器件，目前液晶空間光調(diào)制器主要分為相位型空間光調(diào)制器和振幅型空間光調(diào)制器。本報(bào)告內(nèi)容主要講述如何利用空間光調(diào)制器對(duì)光束進(jìn)行偏振調(diào)控，并給出了不同方案下相位型空間光調(diào)制器和振幅型空間光調(diào)制器對(duì)光束偏振調(diào)控的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：空間光調(diào)制器 偏振調(diào)控 相位 振幅 偏振光

利用空間光調(diào)制器對(duì)輸入光束的偏振態(tài)進(jìn)行靈活、精確的調(diào)控，包括實(shí)現(xiàn)線偏振態(tài)的旋轉(zhuǎn)、將線偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為圓偏振態(tài)或橢圓偏振態(tài)，以及對(duì)復(fù)雜偏振態(tài)的調(diào)制，以滿足不同的光學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用需求，如偏振光成像、光通信、量子信息處理等。

1實(shí)驗(yàn)原理

由于SLM液晶為反平行配向，當(dāng)加載不同灰度圖片時(shí)，液晶分子會(huì)在垂直于x-y的面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)o光和e光產(chǎn)生不同的相位調(diào)制，將o光和e光的相位差記作相位延遲。

根據(jù)瓊斯矩陣，可以將出射光的電場(chǎng)分量Eout表示為

式中，和是分別代表輸入光的x和y分量，是SLM某一像素產(chǎn)生的相位延遲。根據(jù)公式得到，輸入的線偏振光，被轉(zhuǎn)換為偏振方向?yàn)?/span>的線偏振光輸出。由于SLM中任意像素產(chǎn)生的相位延遲[數(shù)學(xué)公式]可通過(guò)施加電壓的方式進(jìn)行精確控制，可實(shí)現(xiàn)任意偏轉(zhuǎn)角度的像素化偏轉(zhuǎn)光場(chǎng)，即通過(guò)加載不同的灰度圖案，可實(shí)現(xiàn)不同方位角的線偏振光場(chǎng)的投影輸出。

2光路設(shè)計(jì)

（1）搭建光路所需的實(shí)驗(yàn)器材

（2）光路方案

• 相位型SLM光路方案

  
  

  
  

  圖1  HDSLM80R相位型SLM光束偏振調(diào)控方案光路圖

如圖1所示，主要元件有532nm激光器、擴(kuò)束器、半波片（532nm）、偏振片、非偏振分光棱鏡（NPBS）、SLM（HDSLM80R）、1/4波片、透鏡（f=100mm），偏振相機(jī)。其中532nm激光器為水平偏振激光出射，1/2波片和偏振片結(jié)合用來(lái)控制激光打到后續(xù)光學(xué)器件的功率強(qiáng)度，偏振片的的光軸夾角為45°，用來(lái)保證出射激光相對(duì)SLM液晶長(zhǎng)軸方向?yàn)?5°偏振方向的線偏振光。偏振片、SLM和1/4波片的光軸夾角均為45°，具體的擺放方式如圖2所示（注意：為了方便瓊斯矩陣計(jì)算，該坐標(biāo)系相對(duì)于實(shí)驗(yàn)坐標(biāo)系進(jìn)行了45°旋轉(zhuǎn)）。

圖2 關(guān)鍵器件的光軸方向

• 振幅型SLM光路方案

  
  

  如圖3所示，主要元件有532nm激光器、擴(kuò)束器、1/2波片（532nm）、偏振片、非偏振分光棱鏡、SLM（HDSLM80RA）、透鏡（f=100mm），偏振相機(jī)。其中532nm激光器為水平偏振激光出射，1/2波片和偏振片結(jié)合用來(lái)控制激光打到后續(xù)光學(xué)器件的功率強(qiáng)度，偏振片的的光軸夾角為0°，用來(lái)保證出射激光為水平偏振方向的線偏振光。當(dāng)加載不同灰度圖片時(shí)，通過(guò)偏振相機(jī)測(cè)量出射光的電場(chǎng)分量Eout的偏振態(tài)。

圖3  80RA振幅型SLM光束偏振調(diào)控方案光路圖

• 小角度反射方案光路圖

當(dāng)SLM為小角度反射工作模式下的實(shí)驗(yàn)光路圖如圖4、圖5所示，與圖1相比，省去了NPBS，光束經(jīng)過(guò)SLM后小角度反射經(jīng)過(guò)后續(xù)光學(xué)元件后利用偏振相機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 80R相位型SLM光束偏振調(diào)控小角度反射方案光路圖

圖5 80RA振幅型SLM光束偏振調(diào)控小角度反射方案光路圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6是HDSLM80R實(shí)測(cè)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖7是HDSLM45R實(shí)測(cè)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果（將圖1中的HDSLM80R更換為HDSLM45R，其他光路和測(cè)試條件不變），圖8是HDSLM80RA實(shí)測(cè)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖9是HDSLM80R小角度反射實(shí)測(cè)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖10是HDSLM80RA小角度反射實(shí)測(cè)的部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中（a）（b）（c）（d）分別為SLM斷電、SLM加載0灰度圖、SLM加載100灰度圖、SLM加載250灰度圖的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別為偏振相機(jī)采集的不同偏振方向的光強(qiáng)圖，以及據(jù)此算求得的偏振橢圓。

圖6  HDSLM80R實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果；（a）SLM斷電；（b）SLM加載0灰度圖；

（c）SLM加載100灰度圖；（d）SLM加載250灰度圖。

圖7 HDSLM45R實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果；（a）SLM斷電；（b）SLM加載0灰度圖；

（c）SLM加載100灰度圖；（d）SLM加載250灰度圖。

圖8  HDSLM80RA實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果；（a）SLM斷電；（b）SLM加載0灰度圖；

（c）SLM加載100灰度圖；（d）SLM加載250灰度圖。

圖9 HDSLM80R小角度反射實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果；（a）SLM斷電；（b）SLM加載0灰度圖；

（c）SLM加載100灰度圖；（d）SLM加載250灰度圖。

圖10 HDSLM80RA小角度反射實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果；（a）SLM斷電；（b）SLM加載0灰度圖；

（c）SLM加載100灰度圖；（d）SLM加載250灰度圖。

4 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)HDSLM80R實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SLM加載不同的灰度圖時(shí)，光束的偏振橢圓主軸方向會(huì)相應(yīng)地得到控制。通過(guò)HDSLM80RA實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水平偏振光經(jīng)過(guò)振幅型SLM后會(huì)轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光，在灰度100附近會(huì)變成近似圓偏振光。通過(guò)HDSLM80RA小角度反射實(shí)測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，水平偏振光經(jīng)過(guò)振幅型SLM后會(huì)轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光，在灰度100附近會(huì)變成近似圓偏振光。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

HDSLM80R相位型SLM偏振調(diào)控實(shí)現(xiàn)了偏振橢圓主軸方向的旋轉(zhuǎn)，由于偏振片和1/4波片角度未完全正確等原因?qū)е缕駲E圓非完全線偏振的形態(tài)。

HDSLM45R相位型SLM偏振調(diào)控實(shí)現(xiàn)了偏振方向的旋轉(zhuǎn)，但是可能是1/4波片角度未完全正確導(dǎo)致偏振橢圓非完全線偏振的形態(tài)。

HDSLM80RA振幅型SLM偏振調(diào)控實(shí)現(xiàn)了水平偏振入射的激光經(jīng)過(guò)振幅型slm之后轉(zhuǎn)變成橢圓偏振光。

6 參考文獻(xiàn)

1.  劉澍鑫, 莊仲森, 李燕, 等. 基于單步曝光的光配向液晶器件研究及應(yīng)用[J]. Chinese Journal of Liquid Crystal & Displays, 2021, 36(6).