《Optics & Laser Technology》：EAMSF-DETR: Edge-aware multi-scale feature fusion network based on DETR for underwater object detection
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本研究提出一种紧凑的一路光学系统，通过波片和空间光调制器（SLM）将线偏振光转换为具有可调空间方位角或椭圆度的矢量光束。理论模型基于Stokes参数和Mueller矩阵分析，实验验证了系统的高效性和稳定性。
Agnieszka Popio?ek-Masajada | Piotr Kurzynowski | Przemys?aw Litwin | Jan Masajada
光学与光子学系，技术基础问题学院，弗罗茨瓦夫科技大学，Wybrze?e Wyspiańskiego 27，50-370 弗罗茨瓦夫，波兰
摘要
根据振幅、相位和偏振对光进行结构化的能力，在现代光学中有着广泛的应用。随着计算机控制光学组件（如空间光调制器）的最新进展，现在可以生成具有复杂空间轮廓和工程化偏振状态的矢量光束。在这项工作中，我们提出了一种紧凑的单向光学方案，该方案将线性偏振的输入光束转换为具有空间调制方位角或椭圆率的矢量光束。所提出的配置中，激光束依次通过四分之一波片、空间光调制器再通过四分之一波片，可以被视为一个圆偏振（光学旋转）系统。偏振变换使用斯托克斯参数进行表征，并通过穆勒矩阵形式进行分析。理论预测已通过实验得到验证。
引言
结构化光束具有定制的振幅、相位或偏振的空间分布，因此在光学操控[1]、成像[2]和通信[3]等领域有广泛的应用。标量光束的生成——即具有空间变化的振幅和/或相位但偏振均匀的光束——已在文献中进行了大量研究[4][5][6][7]。这些光束可以使用空间光调制器（SLM）轻松产生，SLM可以在相位调制模式（例如硅基液晶（LCoS）设备[8]）或振幅调制模式（例如数字微镜设备DMD[9]）下工作。开源软件平台也已开发出来，以方便对这两种类型的SLM进行动态标量光束成形控制[10,11]。SLM的一个主要优点是它们能够灵活地调制光束，从而实现对结构化光的空间特性的实时控制。
生成具有复杂偏振分布的光束（称为矢量光束）是一项更具挑战性的任务。这些光束需要两个正交偏振分量的相干叠加，并且需要控制它们的空间相位关系。传统方法通常涉及干涉配置，其中两个具有正交偏振状态的光束路径被重新组合[12][13][14][15]。尽管干涉仪具有灵活性，但由于机械振动和环境干扰，它们常常存在对准敏感性和不稳定性问题。
为了解决这些问题，提出了几种非干涉方法，这些方法利用SLM的能力来编码偏振分量之间的相位偏移。在一种常见的技术中，SLM屏幕被划分为两个区域，每个区域分别由独立正交偏振的光束照射[16][17][18][19]。或者，两个光束可以空间复用到单个SLM上，然后再进行干涉[20,21]。尽管有这些创新，传统的干涉方案仍然容易受到错位的影响，并不适合紧凑或稳健的实现。
为了解决这些限制，单向或共路配置受到了关注。这些架构具有更高的机械稳定性和简化的对准过程，通常包含偏振敏感元件，如SLM[22,23]、q-板[24,25,26]、超表面[27,28]或双楔形双折射棱镜[29]。
在论文[30,31]中提出了使用单个SLM的单向偏斜系统。线性偏振光以一定角度入射到SLM上，并带有光学涡旋图案。反射后，光束通过四分之一波片（QWP）。在论文[30]中，该系统用于将高斯光束转换为具有C点和V点偏振奇点的光束；而在论文[31]中，使用涡旋光束作为入射光束。在本文中，我们提出了对论文[30]中系统的改进。我们在SLM之前放置了一个四分之一波片，并且激光束以垂直方向进入SLM表面。这样的系统可以描述为QWP + SLM + QWP，也可以视为一个圆偏振（光学旋转）系统。在这个系统中，可单独寻址的SLM单元旋转入射波的方位角，同时保持椭圆率不变。据我们所知，这种方法之前尚未被报道过。实际上，它可以作为任何圆偏振系统使用，将输入的线性偏振状态转换为输出时旋转了给定角度的线性偏振状态。此外，在SLM上写入不同的相位图，我们可以获得具有丰富偏振结构的输出光束。这种设计可以灵活地合成具有各种方位角分布的线性偏振光束。对系统进行少量修改即可获得具有固定方位角的各种椭圆率分布。我们通过实验测量验证了理论模型。
理论背景
光的偏振描述了空间中固定点处电场矢量的时间演化。对于完全偏振的光，电场矢量的端点随时间描绘出一个椭圆，称为偏振椭圆。偏振状态（SoP）由两个参数完全确定：方位角（α），它定义了椭圆长轴相对于参考轴（通常是x轴）的方向；以及椭圆率角（θ），它量化了...
结果与讨论
本节展示了使用前面介绍的穆勒矩阵形式获得的结果，并通过第2节描述的实验设置进行了验证。
图3展示了在整个SLM显示屏上施加均匀相位分布（Δφ = 180）的情况。图3a显示了恢复的方位角图，而图3b展示了图3a中黑色线条所示的方位角轮廓。正如预期的那样，输出光束表现出均匀的方位角分布。
结论
在这项工作中，我们提出了一种紧凑的光学方案，用于生成具有可调空间偏振分布的结构化矢量光束。我们的系统利用仅相位的空间光调制器以及一个四分之一波片来调制激光束的偏振状态。因此，我们将所需的光学元件数量减少到了最低限度。这使得系统更加紧凑，简化了调整过程，并降低了成本。
CRediT作者贡献声明
Agnieszka Popio?ek-Masajada：撰写——原始草稿，可视化，研究，形式分析。Piotr Kurzynowski：方法论，概念化。Przemys?aw Litwin：软件。Jan Masajada：撰写——审阅与编辑，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
