利用偏光全息实现新型矢量涡旋光束产生与调控研究

Novel vector vortex beams with both spatially inhomogeneous polarization state and helical phase features have a wide application in the field of super-resolution imaging, particle manipulation and optical communication. Researches on the generation and manipulation of novel vector vortex light field through sub-wavelength artificial micro-structures are hot topics nowadays. However, limited by available micro-nano fabrication techniques, low-cost, large area and high quality light manipulating devices are very difficult to achieve via sub-wavelength micro structures. .To meet the significant application demand, we propose a novel vector vortex light field manipulation technology based on polarization holography theory. Based on the recently developed tensor polarization holography theory, novel vector vortex light field recording, reconstruction and multiplexing can be realized by large scale polarization sensitive micro-structure devices fabricated by polarization holography exposure easily. In the proposal, polarization holography theory will be further developed. Physical interaction mechanisms between polarization holography recording material and novel vector vortex light field will be investigated deeply. And high quality polarization-sensitive holographic recording materials will be developed. In the end, a cost-effective, large area, high quality novel vector vortex light field manipulation device will be fabricated by polarization holography.

新型矢量涡旋光束同时具备涡旋光束和矢量光束的特点，在超分辨率成像、粒子操控和信息传输等方面都具有重要应用，以亚波长人工微结构实现新型矢量涡旋光场的产生和调控是当前主要的研究热点。然而，受制于目前微纳加工工艺的限制，亚波长人工微结构还无法实现低成本、大尺寸、高质量的新型矢量涡旋光场调控器件。. 针对新型矢量涡旋光场调控的新方法和重要应用需求，本项目提出基于偏光全息原理实现新型矢量涡旋光束产生和调控的技术方案。以张量描述的新偏光全息理论为指导，通过利用偏光全息曝光可以非常简单的制作出大面积的偏光微结构功能器件，实现对新型矢量涡旋光场的记录、复现和操控。本项目将从完善偏光全息理论入手，揭示偏光全息记录材料与新型矢量涡旋光场相互作用的物理机理，发展高质量的纳米复合偏光全息材料，实现低成本、大尺寸、高质量的新型矢量涡旋光束产生和调控调控器件。

新型矢量涡旋光束同时具备涡旋光束和矢量光束的特点，在超分辨率成像、粒子操控和信息传输等方面都具有重要应用。以微纳技术为主要加工手段的新型矢量涡旋光束研究取得重要突破，已经实现了振幅、相位、波长和偏振等多参量的调控技术。然而，受制与目前微纳加工工艺的限制，亚波长人工微结构还无法实现低成本、大尺寸、高质量的新型矢量涡旋光场调控器件，制约了光场调控实际应用场景发展。针对低成本、大尺寸矢量涡旋光束光场调控器件的需求，本项目发展基于偏光全息原理实现新型矢量涡旋光束产生和调控的技术方案，将传统全息技术与矢量光场调控相结合，利用偏光全息对矢量光场的响应，发展偏振敏感光学元件，实现矢量涡旋光束的全息记录与复现。.本项目主要在“偏光全息”理论与实验研究、“偏光全息”材料与实验研究和偏光全息矢量涡旋光学元件研究三方面的研究获得突破性进展。首先，在理论研究中全面分析了影响偏振矢量干涉光场的作用，偏光全息记录与重建的影响因素和实现条件，建立了“偏光全息”的统一衍射理论。其次，在“偏光全息”的材料实验研究方面，建立了偏光全息材料测试平台，通过掺杂纳米颗粒方案有效提升了偏振全息材料的性能。最后，在“偏光全息”矢量光场调控全息元件方面实现了高质量的矢量涡旋光场的全息光学元件。.通过本项目的研究，我们在利用“偏光全息”实现新型矢量涡旋光束调控关键技术上获得重要原创性成果。建立了基于矢量光场与偏振敏感材料相互作用的统一偏光全息衍射理论；通过掺杂纳米颗粒将偏振敏感材料的性能提升了45%；实现了基于偏光全息的径向矢量涡旋光束全息元件制备，偏振敏感信息的信噪比达到39:1。总体而言，本项目获得了符合预期，比较理想的研究成果。