《Optics and Lasers in Engineering》：A compact folded reflective architecture based solely on Pancharatnam–Berry phase for polarization topological charge sorting of cylindrical vector beams
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摘要柱矢量光束（CVB）的偏振拓扑荷（PTC）分选传统上依赖于潘查拉南姆 - 贝里（PB）相位调制和传播相位调制。这两种相位调制受不同物理机制支配，因此难以集成在单一基底上以实现紧凑型折叠架构。本文提出并验证了一种仅基于 PB 相位调制的折叠反射式 PTC 分选方案。通过将
摘要
柱矢量光束（CVB）的偏振拓扑荷（PTC）分选传统上依赖于潘查拉南姆 - 贝里（PB）相位调制和传播相位调制。这两种相位调制受不同物理机制支配，因此难以集成在单一基底上以实现紧凑型折叠架构。本文提出并验证了一种仅基于 PB 相位调制的折叠反射式 PTC 分选方案。通过将 CVB 的两个正交圆偏振分量分离到独立通道并分别处理，该方法打破了传统方案中的共轭相位约束，使得在反射配置中实现基于几何变换的 PTC 分选成为可能。整个功能由单一玻璃基底上的三个 PB 相位区域完成，并结合镜子形成折叠反射系统，显著减小了系统尺寸和对准复杂度。实验展示了 PTC 值从 -5 到 +5 的 CVB 模式分选，平均效率达到 51.18%，复现了模拟预测的关键分选特性。本工作为矢量光束模式识别提供了一种紧凑且集成的路径，在结构光操控和高维复用中具有应用前景。
引言
柱矢量光束（CVB）是一类横截面上偏振分布空间变化的结构化光场。由于其独特的矢量特性，包括径向和方位角偏振结构以及模式正交性，CVB 在高维光学操控、光通信和信息处理应用中引起了广泛关注 [[1], [2], [3], [4]]。特别是，偏振拓扑荷（PTC），它描述了沿方位角方向偏振态旋转的次数和方向，为光复用提供了额外的自由度。与传统的轨道角动量（OAM）模式相比，PTC 模式表现出固有的偏振特性，并在某些传播条件下展现了模式保持和鲁棒性的优势 [[5], [6], [7], [8], [9], [10]]。因此，不同 PTC 模式的有效识别和分选对于基于 CVB 的实际应用至关重要。
然而，实现不同 PTC 模式的高效且低串扰解复用仍然是限制其实际应用的关键挑战。已开发了多种方法进行 CVB 解复用和 PTC 分选。早期的基于干涉、偏振分析、涡旋光栅和 q-板的方法可以识别 CVB 的 PTC，但它们通常需要顺序测量或复杂的光学配置，限制了其并行模式分选的能力 [[11], [12], [13], [14], [15]]。受光学几何变换在 OAM 模式分选中成功应用的启发 [16]，几种基于坐标变换的方法已被扩展到矢量光束分选 [[17], [18], [19], [20], [21]]。由于 CVB 由两个具有相反 OAM 荷的正交偏振分量组成，其 PTC 分选需要对这两个分量进行不同的操控。潘查拉南姆 - 贝里（PB）相位调制针对正交圆偏振具有共轭相位，自然地实现了这种偏振依赖的变换，并将 PTC 信息映射到空间位置 [17,18,22]。在当前的实现中，这种变换通常在 4f 系统内实现，其中两个 PB 器件引入偏振依赖的共轭相位，两个透镜依赖于传播相位提供偏振无关的相位调制 [18,22,23]。折叠反射架构已被广泛用于 OAM 分选以实现紧凑配置 [24]。然而，这种架构无法直接扩展到 PTC 分选。与仅依赖于传播相位的 OAM 分选不同，通过几何变换进行的 PTC 分选既需要 PB 相位调制（用于自旋依赖操控），也需要传播相位（用于坐标变换和相位补偿）。由于这两类相位受不同物理机制支配——前者由光轴取向决定，后者由光程决定——将它们集成在单一反射平面上本质上是困难的。因此，尽管折叠反射架构在 OAM 分选中取得了成功，但尚未在 CVB 的 PTC 分选中实现。
为了克服这种不兼容性，我们提出并实验演示了一种仅依赖于 PB 相位调制、消除对传播相位调制需求的紧凑型折叠反射架构，用于 CVB 的 PTC 分选。核心思想是利用 PB 器件的自旋依赖分束将两个正交圆偏振分量分离到独立的空间通道中。由于两个偏振分量现在在空间上分离，可以对每个通道施加任意的基于 PB 的相位调制，而不受共轭相位约束的限制。随后，在每个通道上独立进行满足 PTC 分选要求的基于几何变换的 OAM 分选。最后，通过 PB 元件实现光束合并，产生一个横向位置由输入 PTC 值决定的输出光斑。得益于双器件 OAM 分选方案，整个系统进一步简化为仅三个 PB 相位区域，全部集成在单一玻璃基底上。折叠反射配置进一步使系统紧凑化，并放宽了对准要求。数值模拟确认了 PTC 值从 -5 到 +5 的 CVB 模式的分选能力，平均模拟效率为 65.8%，与传统 PTC 分选相当。实验测量实现了 51.18% 的平均分选效率，复现了模拟预测的关键分选特性。本工作为矢量光束模式识别提供了一种单基底集成解决方案，并为迈向紧凑型结构光操控系统提供了一条实用路径。
章节片段
原理与模拟
由于 CVB 由携带相反 OAM 荷的两个正交偏振分量组成，PTC 分选要求这两个分量被不同地操控。向正交圆偏振分量施加共轭相位调制的潘查拉南姆 - 贝里（PB）相位调制为此提供了自然手段。在传统 PTC 分选方案中，几何变换器向两个圆偏振分量施加共轭相位以进行坐标
实验与讨论
仅使用 PB 相位调制实现 PTC 分选的能力使得紧凑型折叠反射架构成为可能。在实验中，反射式 PB 相位器件（RPB）采用结合光取向和液晶聚合物固化工艺制造 [25,26]。液晶层厚度被选择为引入四分之一波延迟。在这种反射配置中，液晶层的有效厚度加倍，相当于半波
结论
总之，本工作提出并实验演示了一种用于 CVB PTC 分选的紧凑型折叠反射架构。传统透射式 4f 系统依赖于 PB 相位调制和传播相位调制，它们受不同物理机制支配——前者由光轴取向决定，后者由光学厚度决定——这使得它们不兼容于同时集成在单一反射平面上。为了克服这一限制，本工作
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