[论文解读] Classically-entangled Ince-Gaussian modes

Yao-Li, Xiaobo Hu+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2020

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 26被引用 4

一句话总结

该论文通过叠加具有正交圆偏振态的偶数和奇数径向模的Ince-Gaussian（IG）空间模式，提出了一类经典纠缠的Ince-Gaussian（IG）矢量模式，实现了在高阶Poincaré球上的几何表征。这些模式通过数字微镜器件（DMD）实验生成，其方向和展平度的均方根误差（RMSE）分别低于7%和2%，表现出高保真度，展示了其在光操控、通信和计量学中的应用潜力。

ABSTRACT

Complex vector light modes, classically-entangled in their spatial and polarisation degrees of freedom (DoF), havebecome ubiquitous in a vast diversity of research fields. Crucially, while polarisation is limited to a bi-dimensionalspace, the spatial mode is unbounded, it can be specified by any of the sets of solutions the wave equation can supportin the different coordinate systems. Here we report on a class of vector beams with elliptical symmetry where thespatial DoF is encoded in the Ince-Gaussian modes of the cylindrical elliptical coordinates. We outline their geometricrepresentation on the Higher-Order Poincaré Sphere, demonstrate their experimental generation and analyse the qualityof the generated modes via Stokes polarimetry. We anticipate that such vector modes will be of great relevance inapplications, such as, optical manipulations, laser material processing and optical communications amongst others.

研究动机与目标

• 通过利用Ince-Gaussian模式耦合空间自由度与偏振自由度，开发一类具有椭圆对称性的新型矢量光束。
• 在高阶Poincaré球上实现这些模式的几何表征，以实现直观的可视化与控制。
• 利用紧凑、偏振无关的数字微镜器件（DMD）实验生成IG矢量模式。
• 通过斯托克斯偏振测量法重建横向偏振分布，并利用定量误差指标验证生成模式的质量。

提出的方法

• 通过分别赋予右旋和左旋圆偏振态，对偶数和奇数Ince-Gaussian模式进行叠加，以生成经典纠缠的矢量模式。
• 通过加权系数对叠加过程进行参数化，实现偶数与奇数模式之间的连续过渡。
• 在高阶Poincaré球上对模式进行几何编码，其中北极为纯偶数模式，南极为纯奇数模式。
• 利用数字微镜器件（DMD）在紧凑、偏振无关的实验装置中实现相位与偏振调制，完成模式的实验生成。
• 通过斯托克斯偏振测量法重建横向偏振分布，以提取椭圆取向（α）与展平度（f）。
• 利用实验与理论横向平面偏振分布之间的均方根误差（RMSE）对结果进行定量评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用Ince-Gaussian模式构建具有椭圆对称性的经典纠缠矢量光束？
• RQ2 偶数与奇数IG模式的叠加，若分别赋予正交圆偏振态，是否可在高阶Poincaré球上实现几何表征？
• RQ3 基于DMD的IG矢量模式实验生成保真度如何？其偏振分布准确性如何量化？
• RQ4 椭圆率参数ε如何影响生成的IG矢量光束中从LG型到HG型矢量模式的过渡？
• RQ5 叠加权重的变化对生成矢量模式的偏振态与空间分布有何影响？

主要发现

• 通过DMD实验装置成功生成IG矢量模式，保真度高，所有测试配置下方向（α）的RMSE低于7%，展平度（f）低于2%。
• 当叠加参数设置为π时，方向（α）的RMSE最低，为3.97%，展平度（f）最低为0.62%，表明在特定相位权重下模式质量最优。
• 对于不同椭圆率ε的IG矢量模式，方向（α）的RMSE在5.13%至5.94%之间，展平度（f）在0.89%至1.29%之间，表明在不同ε值下性能保持一致。
• 实验验证了从LG型（ε=0）到HG型（ε→∞）模式的过渡，随着ε增大，偏振分布平滑演化。
• 在高阶Poincaré球上的几何表征成功映射了完整的叠加空间，纯矢量模式位于赤道，纯偶数/奇数模式位于两极。
• 实验结果与理论预测高度吻合，证实了该方法在生成与表征具有可调椭圆对称性的复杂矢量模式方面的有效性。