背景介绍
偏振是光场调控的一个重要维度。光的偏振可以用琼斯矢量描述，即E ⃗=A(r) J_x x ̂+A(r) J_y y ̂。若琼斯矢量的x分量Jx和y分量Jy的比值是和空间坐标x和y无关的量，则为全局偏振，对应标量光场，如线偏振的拉盖尔高斯光束。若Jx和Jy的比值和空间坐标x和y坐标有关，则为局域偏振，对应矢量光场，如径向偏振和角向偏振（统称为柱矢量光束），如图1展示了1到3阶角向偏振矢量光束。
图1. 1~3阶矢量光束
为何具有局域偏振的矢量光场引起人们的关注呢？其重要性主要体现在以下几个层面：
在紧聚焦特性上，柱矢量光束展现出了传统光束无法比拟的优势。例如，径向偏振光通过高数值孔径透镜聚焦时，能够突破衍射极限，产生一个极小的、纯纵向的强场分量，其光斑尺寸远小于线偏振或圆偏振光的聚焦光斑。这种超分辨能力为光学显微成像、光刻技术以及高密度数据存储带来了革命性的突破。
在光与物质的相互作用方面，柱矢量光束提供了独特的调控手段。其焦场中独特的偏振分布和场分量，能够有效地操控微粒的运动，实现三维光学囚禁和旋转，推动了光镊技术的发展。同时，它在金属尖端或纳米结构上能高效激发表面等离激元，并实现定向聚焦，这对于等离激元光子学、集成光学以及传感领域至关重要。
在激光加工中，径向偏振光的高纵向场能更高效地实现材料的高质量切割与钻孔；在粒子加速领域，其纵向电场分量为实现小型化的激光加速器提供了新的可能；而在量子信息和光学通信中，柱矢量光束作为矢量光场的新载体，为信息编码和传输开辟了新的自由度。
在文献（1）中，作者介绍了一种基于类Sagnac环形腔产生矢量光束的方法。在文章中，作者利用偏振分束立方体将线偏振涡旋光分为了s光和p光，其中一束光经过类似Sagnac的环形干涉的结构经过两个反射镜的反射后在偏振分束立方体处和另外一束光合束，从而生成矢量光束。通过改变入射线偏振涡旋光的阶数可以改变偏振的阶数，实现任意阶数矢量光束的高效转换。
图2. Wang et al. 论文截图
建模任务
本期，我们将为大家展示用VirtualLab Fusion对这个矢量光束生成装置进行仿真。如图3所示，光源为高斯光束，直径为200μm，波长为532nm，经过螺旋相位板之后形成标量涡旋光，经过偏振分束立方体变为s光和p光，其中p光经过两枚反射镜反射后又回到偏振分束立方体和s光合束，经过一个1/4波片（QWP）后形成矢量光束。在矢量光束后面加上可以旋转的偏振片，用来检测经过偏振片之后的光场分布。
图3. 类Sagnac干涉仪产生矢量光束装置
建模过程
添加光源、元件和探测器，按照图3所示的系统光路依次连接各个组件。光路如图4所示，这里SPP对应组件中的“Single Phase Dislocation”，QWP可以由Jones Matrix元件定义。在SPP、QWP和Polarizer后各添加一个探测器用来显示线偏振涡旋光、矢量光场以及加了偏振片的矢量光场分布。
图4. 光路编辑器
鼠标左键双击元件SPP可以在物理属性中修改拓扑荷。双击PBS，可以修改偏振度，会对应影响s光和p光的振幅比例，这里采用偏振度100%，即完全偏振，透射和反射的偏振光振幅比例相等。双击Polarizer，可以修改偏振片的角度为0，45°和90°，分别对应水平偏振片、45°偏振片和竖直偏振片。
图5. 物理参数设置方法
结果呈现
如图6所示为光线追迹的结果，光线经过PBS后透射光束经过镜片M1和M2反射后回到PBS，探测器NP放置在QWP和Polarizer中间。
图6. 光线追迹结果
启动场追迹引擎，分别设置SPP的拓扑荷参数为1和2，可以看到探测器的结果如图7所示。第一列为线偏振的入射光束，第二列为为加偏振片的矢量光束，第二列为加了偏振片的矢量光束。第一行和第二行对应入射光束拓扑荷分别为1和2阶的-45°的涡旋光，加了偏振片之后可以看到对应分为两瓣和四瓣。后面两行是对于45°偏振的结果。
图7. -45°线偏振光和45°线偏光场追迹结果
总结
本次借助 VirtualLab Fusion 完成的类 Sagnac 环形干涉仪矢量光束生成仿真，不仅完整复现了矢量光束从标量涡旋光转化的核心光路过程，更用直观的仿真结果验证了该装置的可行性与灵活性。通过调控拓扑荷、偏振片角度等关键参数，就能实现不同阶数矢量光束的精准生成，为相关光学装置的实际设计与调试省去了大量试错成本，提供了高效的数字化解决方案。
矢量光束作为光场调控领域的核心研究方向，在超分辨成像、激光加工、光镊操控等前沿领域有着广阔应用前景，而本次仿真所验证的类 Sagnac 谐振腔方案，是实现矢量光束高效生成的优质路径。此次仿真实践不仅为光学从业者提供了可直接参考的建模与仿真方法，也为矢量光场调控技术的落地应用搭建了理论与实践的桥梁，助力相关光学技术在更多工业、科研场景中实现创新突破与实际应用。
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参考文献
Wang, T., Fu, S., Zhang, S. et al. A Sagnac-like interferometer for the generation of vector beams. Appl. Phys. B 122, 231 (2016). https://doi.org/10.1007/s00340-016-6507-8
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