摘要：液晶空间光调制器是一种可以对光的相位、振幅以及偏振态进行调控的可编程器件，目前液晶空间光调制器主要分为相位型空间光调制器和振幅型空间光调制器。本报告内容主要讲述如何利用空间光调制器对光束进行偏振调控，并给出了不同方案下相位型空间光调制器和振幅型空间光调制器对光束偏振调控的实验结果。
关键词：空间光调制器 偏振调控 相位 振幅 偏振光
利用空间光调制器对输入光束的偏振态进行灵活、精确的调控，包括实现线偏振态的旋转、将线偏振态转换为圆偏振态或椭圆偏振态，以及对复杂偏振态的调制，以满足不同的光学实验和应用需求，如偏振光成像、光通信、量子信息处理等。
1实验原理
由于SLM液晶为反平行配向，当加载不同灰度图片时，液晶分子会在垂直于x-y的面内转动，对o光和e光产生不同的相位调制，将o光和e光的相位差记作相位延迟。
根据琼斯矩阵，可以将出射光的电场分量Eout表示为
式中，
和
是分别代表输入光
的x和y分量，
是SLM某一像素产生的相位延迟。根据公式得到，输入的线偏振光，被转换为偏振方向为
的线偏振光输出。由于SLM中任意像素产生的相位延迟[数学公式]可通过施加电压的方式进行精确控制，可实现任意偏转角度的像素化偏转光场，即通过加载不同的灰度图案，可实现不同方位角的线偏振光场的投影输出。
2光路设计
（1）搭建光路所需的实验器材
设备名称 | 数量 | 用途 |
532nm激光器 | 1 | 输出具有稳定偏振态的光束 |
扩束器 | 1 | 针孔滤波器和透镜组合，用于扩大激光光源的光束直径 |
空间光调制器 | 1 | HDLSM80R，HDSLM80RA和HDSLM45R三个型号 |
532nm半波片 | 1 | 改变线偏振激光的线偏振方向，与偏振片组合使用可以起到控制入射到空间光调制器上的光束强度 |
偏振片 | 1 | 控制入射到空间光调制器上的激光的线偏振方向 |
非偏振分光棱镜（可选） | 1 | 将光束分为两束，并且尽量不改变光的偏振态 |
透镜（f=100mm） | 1 | 对光束进行准直和成像，保证光束质量 |
1/4波片 | 1 | 光束偏振态的调控，可将圆偏振光调制成线偏振光 |
计算机和控制软件 | 1 | 对SLM进行编程和控制，输入所需的相位和振幅分布信息 |
偏振相机 | 1 | 测量和记录光束的强度分布和偏振态信息 |
（2）光路方案
● 相位型SLM光路方案
图2 关键器件的光轴方向
● 振幅型SLM光路方案
图4 80R相位型SLM光束偏振调控小角度反射方案光路图
图5 80RA振幅型SLM光束偏振调控小角度反射方案光路图
3 实验结果
图6是HDSLM80R实测的部分实验结果，图7是HDSLM45R实测的部分实验结果（将图1中的HDSLM80R更换为HDSLM45R，其他光路和测试条件不变），图8是HDSLM80RA实测的部分实验结果，图9是HDSLM80R小角度反射实测的部分实验结果，图10是HDSLM80RA小角度反射实测的部分实验结果，图中（a）（b）（c）（d）分别为SLM断电、SLM加载0灰度图、SLM加载100灰度图、SLM加载250灰度图的实验结果，分别为偏振相机采集的不同偏振方向的光强图，以及据此算求得的偏振椭圆。
图7 HDSLM45R实验测试结果；（a）SLM断电；（b）SLM加载0灰度图；
（c）SLM加载100灰度图；（d）SLM加载250灰度图。
图9 HDSLM80R小角度反射实验测试结果；（a）SLM断电；（b）SLM加载0灰度图；
（c）SLM加载100灰度图；（d）SLM加载250灰度图。
图10 HDSLM80RA小角度反射实验测试结果；（a）SLM断电；（b）SLM加载0灰度图；
（c）SLM加载100灰度图；（d）SLM加载250灰度图。
4 实验分析
通过HDSLM80R实验测试结果可以发现，当SLM加载不同的灰度图时，光束的偏振椭圆主轴方向会相应地得到控制。通过HDSLM80RA实验测试结果可以发现，水平偏振光经过振幅型SLM后会转变成椭圆偏振光，在灰度100附近会变成近似圆偏振光。通过HDSLM80RA小角度反射实测的实验结果可以发现，水平偏振光经过振幅型SLM后会转变成椭圆偏振光，在灰度100附近会变成近似圆偏振光。
5 实验结论
HDSLM80R相位型SLM偏振调控实现了偏振椭圆主轴方向的旋转，由于偏振片和1/4波片角度未完全正确等原因导致偏振椭圆非完全线偏振的形态。
HDSLM45R相位型SLM偏振调控实现了偏振方向的旋转，但是可能是1/4波片角度未完全正确导致偏振椭圆非完全线偏振的形态。
HDSLM80RA振幅型SLM偏振调控实现了水平偏振入射的激光经过振幅型slm之后转变成椭圆偏振光。
6 参考文献
1. 刘澍鑫, 庄仲森, 李燕, 等. 基于单步曝光的光配向液晶器件研究及应用[J]. Chinese Journal of Liquid Crystal & Displays, 2021, 36(6).