PDF《高阶邦加球上柱矢量光束的变换∗》

物理学报Acta Phys.

Sin. Vol. 63, No.

15 (2014)

154203 高阶邦加球上柱矢量光束的变换? 罗朝明1)2) 陈世祯1) 凌晓辉1) 张进1) 罗海陆1)? 1)(湖南大学物理与微电子科学学院, 微纳光电器件及应用教育部重点实验室, 长沙 410082) 2)(湖南理工学院信息与通信工程学院, 岳阳 414006) (

2014 年1月28 日收到;

2014 年3月6日收到修改稿 ) 本文从理论和实验上系统研究了利用半波片实现高阶邦加球上柱矢量光束变换的方法. 通过琼斯矩阵的 方法理论分析得出变换前后柱矢量光束在高阶邦加球上两个对应点的纬度相反, 经度随半波片的光轴方向角 的不同而改变. 最后, 基于空间光调制器搭建了一套柱矢量光束产生及其变换系统, 实验结果证明了这种方 法的可行性. 关键词: 柱矢量光束, 高阶邦加球, 激光光学 PACS: 42.25.Cp, 42.25.Ja, 03.65.Vf DOI: 10.7498/aps.63.154203

1 引言近年来, 矢量光束由于其独特性能吸引了大量 研究者的兴趣, 尤其是具有径向偏振和角向偏振的 柱矢量光束 [1?4] . 柱矢量光束是指偏振态在横截面 上呈轴对称分布的光束, 随着激光技术的发展, 已 有多种方法用于产生这种光束, 它们在光科学技术 与工程方面有着广泛的应用前景 [2] . 当这些光束被 强聚焦时, 对应场分布表现出与初始偏振态相关的 纵向和横向场的空间分离 [5,6] . 因此, 这些光束可 以聚焦在光轴的中心焦点处, 在光刻技术、 共聚焦 显微镜、 光学俘获和控制, 以及光信息处理等领域 有着巨大的潜在应用价值 [7?11] . 此外, 由于内在强 烈的偏振相关性, 柱矢量光束将有助于纳米物理学 以及量子纠缠等的研究 [12,13] . 邦加球 (Poincaré sphere) 在表述光的偏振态 方面有着强大的功能, 用它来描述光的偏振态非 常直观、 形象. 它将复杂的琼斯矩阵矢量映射到 一个由斯托克斯参数构成的单位球即邦加球的表 面, 该球表面任意一点对应不同的偏振态, 而且邦 加球上的这些不同偏振态可利用波片实现相互变 换. 但传统邦加球只能描述具有均匀偏振态的平 面波光束, 而不适用于近年来备受关注的具有非 均匀偏振态的矢量光束. 为了解决这一问题, 类比 于邦加球, Holleczek 和Milinone 等提出高阶邦加 球来描述柱矢量光束的偏振态 [14,15] . 拓扑荷数为 ? 的高阶邦加球具有两种模式, 即?分别取正负号 时对应于两个球. 高阶邦加球的两极点对应于圆 偏振涡旋光束, 赤道对应于线偏振矢量光束, 介于 赤道和两极之间是非均匀的椭圆矢量光束. 高阶 邦加球极大地方便了柱矢量光束偏振态的描述, 相 关的研究也随之增加. Milione 等进一步利用高阶 邦加球探讨高阶几何相与光子角动量的关系 [16] . 由于柱矢量光束可以产生 Pancharatnam-Berry 相位, Ling 等基于柱矢量光束来操控 Pancharatnam- Berry 相位, 实现了对光子自旋霍尔效应的有效调 控[17] , 相比于 Spin-direction Berry 相位 [18?21] , 调控Pancharatnam-Berry 相可以得到更大的自旋分 裂. 然而这些研究主要集中在高阶邦加球对柱矢量 光束的描述、 产生和应用上, 尚未对高阶邦加球之 间的光束变换进行详细研究. ? 国家自然科学基金 (批准号: 61205126, 11347120)、 湖南省自然科学基金 (批准号: 14JJ3131) 和湖南省教育厅科研课题 (批准号: 11C630) 资助的课题. ? 通讯作者. E-mail: hailuluo@hnu.edu.cn ?