纳米光学全息实验

引言：1947年，英国物理学家Denise Gabor发现了光学全息技术，并因此获得了1971年的诺贝尔物理学奖。“全息”的意思为“全部信息”，即相对于普通照相的只记录物体的明暗变化，激光全息照相还能记录物体的空间变化。光学全息技术经过几十年的发展，全息技术的产品正越来越多地走向市场、应用于现代生活中。该技术在电视、展览、立体电影、显微术、军事侦察监视、保存珍贵的历史文物、信息存储等各个方面已获得广泛应用。伴随着纳米加工技术的进步，纳米光学在近年来得到飞速发展，一些突破性的研究成果逐渐引起了人们的注意。2011年，哈佛大学著名学者Capasso在《Science》上提出，当界面处存在可对入射光相位进行线性调控的特异介质表面时（metasurface），斯涅耳定律将被改写，该概念在红外波段实验验证。2012年Chen 等人提出了一类新的能对圆偏振光产生相位不连续的特异介质表面(Nature Communications 2012)。该特异介质表面由一个空间上取向变化的二维金属纳米棒阵列组成，并且其工作波段在可见光和近红外。如果入射光是左旋圆偏振, 则右旋圆偏振成分的相位由纳米棒的空间取向决定。2015年该技术被Wen等人用于高效率的纳米全息片 (Nature Communications 2015)，取得了突破性的研究成果。由于纳米结构之间的间距为亚波长量级，无高级衍射级次。与传统的光学全息技术完全不同，该纳米全息所产生的图像取决于光的偏振特性。

实验目的：

1．了解纳米光学全息平台的使用原理。

2．能够使用纳米光学全息平台得到重构图像随入射光的偏振态而变化的动态效果。

3．利用所得到的重构图像测量光的偏振态。

实验仪器，主要工作参数和材料：

该纳米光学全息实验平台包括纳米全息片，精密样品定位系统 （1 mm），激光源，激光束的偏振特性变换系统，重构图像显示屏幕，光学平台及玻璃封装系统等。

主要参数和技术指标为： （1）工作波段为可见光和近红外，500 – 1000 nm。（2）对光的偏振特性非常敏感，所重构的图像随入射光的偏振特性而变。（3）所重构的图像大小与成像面和全息片的距离成线性变化。（4）纳米全息片的基底材料硅，纳米结构的材料为银和氧化硅，其最小特征尺寸为50 - 80 nm，相邻纳米结构之间的距离为300 nm，像素数为1500 X 1500，重构图像距中心线的最大张角为64度并且无变形。（5）该纳米全息采用目前最先进的设计和加工技术，无高级衍射级次。

实验原理：

特异介质表面材料是一种在衬底表面加工出的超薄金属微纳结构材料，与光波相互作用时常表现出一些超常特性，一直以来广受学界关注，因受技术限制，一直停滞于学术概念层面。 Chen等人在2012年提出了一类新的能对圆偏振光产生相位不连续的特异介质表面（metasurface），该特异介质表面由一个空间上取向变化的二维金属纳米棒阵列组成。如果入射光是左旋圆偏振, 透射光的右旋圆偏振成分的相位由纳米棒的空间取向决定。更重要的是，通过简单地翻转入射光束的圆偏振，出射光的相位会发生逆转。2015年该技术被Wen等人用于高效率的纳米全息片 (Nature Communications 2015)，并且所重构的图像随入射光的偏振态而变。该实验利用了光与纳米结构相互作用时引起的Pancharatnam-Berry Phase (PB位相)设计像素为亚波长量级的纳米全息片，无高级衍射级次且工作于宽波段（含可见光和近红外）。不同于传统的位相概念，PB位相是和偏振紧密关联的。同样是从左旋圆偏振变换到右旋圆偏振，在庞加莱球上走过不同的经线（经历不同的偏振变化过程），将会引入不同的位相延迟量。上述偏振态改变可通过引入半波片来实现，不同路径则对应到不同的半波片光轴指向方向。这样，通过设计半波片不同位置的光轴指向，则可以引入特定变化的PB位相（位相延迟量为光轴角度的二倍）。每个纳米棒的功能相当于一个半波片，而纳米棒的取向相当于波片的光轴指向。通过控制纳米棒的取向来实现所需要的半波片的光轴指向。

利用Gerchberg-Saxton 算法和特异介质表面理论设计纳米光学全息片，将所需的位相分布编码到特异介质表面里的纳米棒的取向分布中，利用电子束曝光、反应离子刻蚀、超高真空金属镀膜等纳米加工工艺来制作纳米全息片。该部分涉及的设计理论和加工细节请参照参考文献（Wen D., et al., Nature Communications, 2015）。与传统的光学全息技术完全不同，该纳米全息所产生的图像取决于光的偏振特性。如左旋光照在全息片上产生一个图像，则右旋光照在全息片上会产生另一个图像。由于左旋圆偏振态和右旋圆偏振态是两个正交本征态，所有的完全偏振光都可以分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的叠加，当入射光为非圆偏光时重构图像为两者的叠加。因此，通过控制入射光的偏振特性可以实现重构图像的动态变化。

入射光的偏振特性由偏振片和1/4波片控制。旋转1/4波片，控制其快轴方向与第一个偏振片的偏振方向的夹角实现入射光偏振态的改变。该过程可用矩阵光学进行描述。假定偏振片的偏振方向沿水平方向，1/4波片的快轴方向与水平方向夹角为q，则出射光的偏振态可用下面关系式描述：

（1）

其中

为沿水平方向偏振的琼斯矢量，

为1/4波片的琼斯矢量(快轴方向与水平方向夹角为q)。当夹角为±45度时，此时所输出的光为纯圆偏振光。当夹角为其它角度时，此时所输出的光为椭圆偏振光。当夹角为0度时，所输出的光为线偏振光

。所有的完全偏振光都可以分解为左旋圆偏振光

和右旋圆偏振光

的叠加。例如，线偏振光是分量相等的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的叠加, 如下式表示：

（2）

实验内容：

（1） 掌握纳米光学全息实验系统的使用。

（2） 通过控制入射光的偏振态改变重构图像。

学习使用偏振片和1/4波片控制入射光的偏振态，达到重构图像改变的动态效果。

（3） 利用所得到的重构图像测量入射光的偏振态。

对于未知偏振特性的入射光，通过对所得图像的分析可以测量入射光的偏振态。

实验步骤：

1、 戴上橡胶手套，用镊子将纳米全息片从样品盒中取出放到精密样品定位平台上，确保样品背面被粘牢而不会滑落。

2、 打开激光器电源，有激光束发出照射到样品上，光路的示意图如图1a所示。

图1 (a) 实验装置示意图和(b)重构图像随入射光偏振态的变化。

3、 调整精密样品定位平台，目测光束打到样品上，通过微调使重构图像质量最好。

4、 调整精密样品定位平台，使没有位相变化的光束沿原路返回。

5、 旋转1/4波片，使其快轴方向与第一个偏振片的方向成45度，此时所输出的光为纯圆偏振光。将得到的图像用所提供的数码相机进行拍照。当入射光为左旋圆偏振光时，所得到的图像为蜜蜂在左，花在右（图1 b上）。当入射光为右旋圆偏振光时，所得到的图像为花在左，蜜蜂在右（图1 b下）。其中虚线所标的区域为通光孔。

6、 改变入射光的偏振态，当入射光为非圆偏光时重构图像为两者的叠加。因此，通过控制入射光的偏振特性可以实现重构图像的动态变化，找到入射光的偏振态和重构图像之间的关系（图2）。

7、 对于未知偏振特性的入射光，参照所得到的入射光的偏振态和重构图像之间的关联图，通过对所得图像的分析可以得知左旋圆偏振光和右旋圆偏振光所占的分量，从而测量入射光的偏振态，并与实际的入射光偏振态进行比较对比。

8、关掉激光器，将样品从精密样品定位台上取下到所提供的样品盒里，注意有纳米结构的一面朝上。

图2 入射光的偏振态和所得到的重构图像

实验思考与讨论：

1． 该实验中的纳米光学全息与传统光学全息有什么优点？

2． 如何用线偏振片和1/4波片实现入射光偏振特性的控制？

3． 如何根据所得到的重构图像测量入射光的偏振特性？