研究背景
光场偏振态调控一般通过调控光场不同偏振分量之间的相位延迟来实现。目前的主动相位调控器件，如液晶相位延迟器、光弹调制器和光电调制器等，可以满足从低速到高速的不同偏振调控需求。但是这些器件的相位调制带宽有限，因此偏振态调制过程中会出现不可避免的偏振跳变现象，无法实现连续的偏振态调制。
作为光学微操纵领域的重要研究方向之一，光致微纳颗粒旋转对于光束的偏振态演化过程高度敏感，偏振的跳变会对颗粒的旋转状态产生巨大的影响，因此开发一种高速、连续、无跳变的偏振调制技术对于推动光学微操纵领域的发展具有重要意义。光学外差法通常是指将两个频率具有微小差异并且偏振态一致的相干光束叠加，产生低频强度拍频的过程。该方法可以将微弱的直流信号转化为交流信号，进而利用锁相放大器等器件提取微弱信号，因此广泛应用于光传感领域。此外，光学外差法还可以使两束偏振态正交的光束产生类似的“偏振拍频”的低频偏振调制现象，这就为实现偏振态的无跳变的连续调控提供了一种新思路。
研究亮点
北京大学物理学院施可彬课题组提出一种基于光学外差法的高速、无跳变的偏振调控方法，并利用该方法实现动态柱矢量光场以及双折射颗粒转速的精确电学控制。开发的装置集成了偏振调控和光镊功能，两路具有稳定频率差和相位关系的射频信号分别驱动声光晶体并在晶体内形成超声波光栅。两束偏振正交的线偏振光先分别经过两个声光晶体获得具有可调频率差的两束+1级（或-1级）衍射光。经过偏振分光棱镜合束后，两束衍射光通过一个光轴方向与光的偏振成45°夹角的四分之一波片，分别转化为不同频率的左旋光和右旋光。手性相反的圆偏振光相干合成线偏振光，并且偏振方向完全由两束光的相位差决定。由于两束光相位差会随着时间累积而不断变化，最终合成线偏振光的偏振方向会随时间连续旋转，并且旋转速度与外差频率一致。研究者还利用无源的液晶涡旋半波片将这种偏振方向连续旋转的线偏振光转化为动态柱矢量光场，结合偏振方向检测装置直接实验观察到该偏振态的连续旋转过程。
此外，他们还将这种偏振调控技术用于控制颗粒旋转，实现了双折射颗粒转速的精确电学控制。相比于单波长圆偏振光驱动颗粒旋转的传统方法，这种新的颗粒旋转控制方法不仅实现了颗粒转速的完全电学控制，而且对光强扰动不敏感、具有更高的稳定性，在光驱微马达，光控微流体等领域具有重要应用前景。
图2 利用涡旋半波片将偏振方向旋转的线偏振光
转化为动态柱矢量光场
该工作以“Robust and high-speed rotation control in optical tweezers by using polarization synthesis based on heterodyne interference”为题发表在英文刊Opto-Electronic Advances 2020年第8期。该工作受到中国国家自然科学基金的支持。
研究团队简介
北京大学施可彬课题组近年来主要从事基于超快/非线性光学原理的光谱和生物光子学成像、超快光纤激光器以及光学频率梳精密测量研究，承担并主持自然科学基金重点项目和科技部国家重大仪器研发专项课题。研究成果发表在包括Physical Review Letters, Laser & Photonics Reviews，PNAS 和Optics Letters 等学术期刊。
研究团队简介
北京大学施可彬课题组近年来主要从事基于超快/非线性光学原理的光谱和生物光子学成像、超快光纤激光器以及光学频率梳精密测量研究，承担并主持自然科学基金重点项目和科技部国家重大仪器研发专项课题。研究成果发表在包括Physical Review Letters, Laser & Photonics Reviews，PNAS 和Optics Letters 等学术期刊。