} 利用空间光调制器
两个不同路径实现正交的偏振态（利用波片） 通过 通过两个不同路径实现正交的偏振态（利用波片） ( 正交线偏振或左右旋圆偏振) (正交线偏振或左右旋圆偏振) 两部分进行重构（利用光栅） 合成 合成两部分进行重构（利用光栅）
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
生成原理 生成原理
两个正交偏振的HG10模和HG01模可以相干叠加成为径向和旋向偏振光
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
被动生成 被动生成
径向偏振转换器
Opt. Lett. 21, 1948 (1996).
偏振转换器 (ARCoptix, Switzerland)
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矢量光场：概念Leabharlann 生成、传播和应用被动生成 被动生成
S1 S0 cos 2 cos 2 S2 S0 cos 2 sin 2 S3 S0 sin 2
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
光场偏振态表述 光场偏振态表述
Jones矢量
Ex E0 x 电场 E j E E e y 0y
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
径向和旋向偏振光 径向和旋向偏振光
偏振态 分布
旋转偏振器
径向偏振 旋向偏振
圆柱波导模式
Appl.Phys.Lett. 20, 266 (1972)
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
单模矢量光场(旋向拓扑数m=1,不同的初相位j0)
Opt. Lett. 32, 3549 (2007)
TM01 径向偏振光 TE01 旋向偏振光 Appl. Phys. Lett. 93, 231106 (2008)
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
被动生成 被动生成
干涉
基于空间光调制器的圆偏振 合成生成矢量光场的干涉仪
New J. Phys. 9, 78 (2007)
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
主动生成 主动生成
光的二向色性选模
锥形Brewster棱镜 Proceedings of the IEEE 60, 1107 (1972) Opt. Lett. 30，3063 (2005)
多层膜偏振光栅
Opt. Lett. 32, 3272-3274 (2007)
非均匀偏振光场
空变偏振光场
Adv. Opt. Photon. 1, 1 (2009).
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
研究矢量光场 研究矢量光场？ ？
频 波 率 长 频 域 位 相
光 场
空 域
偏振态
时 域
脉 冲 宽度/线型
振 幅
常规调控的手段主要涉及标量光场的振幅和位相等 调控光传播行为有效途径之一：采用以光子晶体为代表的人 工微结构材料
空变偏振器
ˆ x je ˆy Ein E0 e ˆ je ˆ E0e j e
空变位相延迟器
半波片Opt. Express 16, 7295 (2008)
ˆ Eout E0 e j e
双折射晶体 光学二向色性材料 Adv. Opt. Photon. 1, 1 (2009) Appl. Phys. Lett. 89, 251114 (2006)
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
高阶柱对称旋向变化矢量光场 高阶柱对称旋向变化矢量光场
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
双模旋向变化矢量光场 双模旋向变化矢量光场
内模m=1和j0=0
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
内模m=1和j0=0
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
非整数阶矢量光场 非整数阶矢量光场
Stokes参量 Poincaré球 Jones矢量
各种矢量光场（径向和旋向偏振光、高阶柱 对称、双模旋向变化、非整数阶、杂化偏振、 径向和/或旋向变化、复杂图案的矢量光场）
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
二、矢量光束的生成技术
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
矢量光场的生成技术
E x t E0 x cos t kz x
椭圆度
E0 y / E0 x
线偏振
0
长轴方位角

右旋圆偏振 1 左旋圆偏振 1
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
光场偏振态表述 光场偏振态表述
Stokes参量 实验可测量！
* S0 E x E x Ey E* y * S1 E x E x Ey E* y * S2 E x E * E E y y x * S3 j E x E * E E y y x
被动生成 被动生成
梯形Sagnac干涉
Opt. Express 20, 21715 (2012).
基于梯形Sagnac干涉仪的任意空间 变化偏振光束
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
普通路径干涉
基于4f系统任意矢量光场的生成
Vector Field
分成两部分 将常规光场 将常规光场分成两部分 空变位相 携带 携带空变位相
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
主动生成 主动生成
双折射选模
主动生成的核心是矢量光场模式选择！ 红宝石激光器生成旋向偏振 光谐振腔设计装置 Appl. Phys. Lett. 20, 266 (1972) Adv. Opt. Photon. 1, 1 (2009)
Opt. Lett. 31, 2151 (2006) 简化了谐振腔结构
矢量光场：概念、生成、传播和应用
矢量光场
顾 兵 gubing@
东南大学先进光子学中心
1
矢量光场：概念、生成、传播和应用
主要内容 主要内容
一、光场的偏振态调控 二、矢量光场的生成方法 三、矢量光场的传播及焦场特性 四、矢量光场的应用
被动生成 被动生成
Mach-Zehnder干涉
Opt. Commun. 213, 241 (2002)
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
被动生成 被动生成
Sagnac干涉
Appl. Opt. 45, 8393 (2006)
基于Sagnac干涉仪的矢量光场激光谐振腔
38 38
矢量光场：概念、生成、传播和应用
2 偏振度 P ( S12 S 2 S32 )1/ 2
P 1 部分偏振光 0 P 1
完全偏振光 非偏振光
P0
1 1 例如：水平线偏振光 S 0 1 0 0 o 45 线偏振光 S 1 0 1 0 S 左旋圆偏振光 0 / S0 1 1 0 S 右旋圆偏振光 0 1
焦场工程 光学微加工
矢量光场
近场探测
量子光学与量子信息
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
光场偏振态表述 光场偏振态表述
偏振椭圆
E y t E0 y cos t kz y
2 Ex t E y2 t 2 E x t E y t cos sin 2 2 2 E0 E E0 x E0 y 0y x
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
复杂图案的矢量光场 复杂图案的矢量光场
三元汉字“明”
二元太极图案
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
复杂图案的矢量光场 复杂图案的矢量光场
灰度图lena头像
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
第一节光场的偏振态调控 第一节光场的偏振态调控
矢量光场的概念 研究矢量光场的意义 光场偏振态表述 偏振椭圆
主动生成 通过设计激光器的谐振腔，直接输出矢量光场激光， 生成过程有激光增益介质参与 优点：可以获得很高效率的矢量光场 缺点：欠缺灵活性 被动生成 在激光谐振腔外，采用特殊设计的光学元件或者特殊 的光学方法，将常规激光转化为矢量光场 优点：很强的灵活性 缺点：转换效率不高
非整数阶矢量光场
同一波阵面上四 种不同矢量光场
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
杂化偏振矢量光场 杂化偏振矢量光场
局域线偏振
局域线偏振、椭圆偏 振、圆偏振
Opt. Express 18, 10786 (2010)
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
径向变化矢量光场 径向变化矢量光场

Opt. Lett. 36, 3179 (2011)
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
旋向或 旋向或/ /和径向同时变化矢量光场 和径向同时变化矢量光场
Opt. Express 20, 21715 (2012)
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
复杂图案的矢量光场 复杂图案的矢量光场
w:/2
1 例如：水平线偏振光 J 0 1 1 45o线偏振光 J 2 1
1 1 左旋圆偏振光 J 2 i 1 1 右旋圆偏振光 J 2 i
评价：
Jones矢量表达简洁，但不 能描述自然光和部分偏振光。 Stokes参量用解析式描述光 的偏振态，但缺乏直观性； Poincaré球从几何角度描 述光的偏振态，具有直观 性，弥补了以上两者之不 足。
m 0
2n / 0 0
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矢量光场：概念、生成、传播和应用
径向变化矢量光场 径向变化矢量光场