摘要：液晶空間光調制器是一種可以對光的相位、振幅以及偏振態進行調控的可編程器件，目前液晶空間光調制器主要分為相位型空間光調制器和振幅型空間光調制器。本報告內容主要講述如何利用空間光調制器對光束進行偏振調控，并給出了不同方案下相位型空間光調制器和振幅型空間光調制器對光束偏振調控的實驗結果。
關鍵詞：空間光調制器 偏振調控 相位 振幅 偏振光
利用空間光調制器對輸入光束的偏振態進行靈活、精確的調控，包括實現線偏振態的旋轉、將線偏振態轉換為圓偏振態或橢圓偏振態，以及對復雜偏振態的調制，以滿足不同的光學實驗和應用需求，如偏振光成像、光通信、量子信息處理等。
1實驗原理
由于SLM液晶為反平行配向，當加載不同灰度圖片時，液晶分子會在垂直于x-y的面內轉動，對o光和e光產生不同的相位調制，將o光和e光的相位差記作相位延遲。
根據瓊斯矩陣，可以將出射光的電場分量Eout表示為
式中，
和
是分別代表輸入光
的x和y分量，
是SLM某一像素產生的相位延遲。根據公式得到，輸入的線偏振光，被轉換為偏振方向為
的線偏振光輸出。由于SLM中任意像素產生的相位延遲[數學公式]可通過施加電壓的方式進行精確控制，可實現任意偏轉角度的像素化偏轉光場，即通過加載不同的灰度圖案，可實現不同方位角的線偏振光場的投影輸出。
2光路設計
（1）搭建光路所需的實驗器材
設備名稱 | 數量 | 用途 |
532nm激光器 | 1 | 輸出具有穩定偏振態的光束 |
擴束器 | 1 | 針孔濾波器和透鏡組合，用于擴大激光光源的光束直徑 |
空間光調制器 | 1 | HDLSM80R，HDSLM80RA和HDSLM45R三個型號 |
532nm半波片 | 1 | 改變線偏振激光的線偏振方向，與偏振片組合使用可以起到控制入射到空間光調制器上的光束強度 |
偏振片 | 1 | 控制入射到空間光調制器上的激光的線偏振方向 |
非偏振分光棱鏡（可選） | 1 | 將光束分為兩束，并且盡量不改變光的偏振態 |
透鏡（f=100mm） | 1 | 對光束進行準直和成像，保證光束質量 |
1/4波片 | 1 | 光束偏振態的調控，可將圓偏振光調制成線偏振光 |
計算機和控制軟件 | 1 | 對SLM進行編程和控制，輸入所需的相位和振幅分布信息 |
偏振相機 | 1 | 測量和記錄光束的強度分布和偏振態信息 |
（2）光路方案
如圖1所示，主要元件有532nm激光器、擴束器、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。其中532nm激光器為水平偏振激光出射，1/2波片和偏振片結合用來控制激光打到后續光學器件的功率強度，偏振片的的光軸夾角為45°，用來保證出射激光相對SLM液晶長軸方向為45°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算，該坐標系相對于實驗坐標系進行了45°旋轉）。
圖2 關鍵器件的光軸方向
圖3 80RA振幅型SLM光束偏振調控方案光路圖
當SLM為小角度反射工作模式下的實驗光路圖如圖4、圖5所示，與圖1相比，省去了NPBS，光束經過SLM后小角度反射經過后續光學元件后利用偏振相機進行數據采集。
圖4 80R相位型SLM光束偏振調控小角度反射方案光路圖
圖5 80RA振幅型SLM光束偏振調控小角度反射方案光路圖
3 實驗結果
圖6是HDSLM80R實測的部分實驗結果，圖7是HDSLM45R實測的部分實驗結果（將圖1中的HDSLM80R更換為HDSLM45R，其他光路和測試條件不變），圖8是HDSLM80RA實測的部分實驗結果，圖9是HDSLM80R小角度反射實測的部分實驗結果，圖10是HDSLM80RA小角度反射實測的部分實驗結果，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灰度圖的實驗結果，分別為偏振相機采集的不同偏振方向的光強圖，以及據此算求得的偏振橢圓。
圖6 HDSLM80R實驗測試結果；（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實驗測試結果；（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實驗測試結果；（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小角度反射實驗測試結果；（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小角度反射實驗測試結果；（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 實驗分析
通過HDSLM80R實驗測試結果可以發現，當SLM加載不同的灰度圖時，光束的偏振橢圓主軸方向會相應地得到控制。通過HDSLM80RA實驗測試結果可以發現，水平偏振光經過振幅型SLM后會轉變成橢圓偏振光，在灰度100附近會變成近似圓偏振光。通過HDSLM80RA小角度反射實測的實驗結果可以發現，水平偏振光經過振幅型SLM后會轉變成橢圓偏振光，在灰度100附近會變成近似圓偏振光。
5 實驗結論
HDSLM80R相位型SLM偏振調控實現了偏振橢圓主軸方向的旋轉，由于偏振片和1/4波片角度未完全正確等原因導致偏振橢圓非完全線偏振的形態。
HDSLM45R相位型SLM偏振調控實現了偏振方向的旋轉，但是可能是1/4波片角度未完全正確導致偏振橢圓非完全線偏振的形態。
HDSLM80RA振幅型SLM偏振調控實現了水平偏振入射的激光經過振幅型slm之后轉變成橢圓偏振光。
6 參考文獻
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用[J]. Chinese Journal of Liquid Crystal & Displays, 2021, 36(6).