清華大學馬輝課題組：偏振光散射研究取得重要成果

deer 6年前 (2017-07-28) 4447瀏覽

【成果簡介】

在2017年7月21日第119期的Physical Review Letters上，馬輝課題組刊登了題為“Physically Realizable Space for the Purity-Depolarization Plane for Polarized Light Scattering Media”的研究論文。文章第一作者為來自巴基斯坦的物理系博士生 Tariq Aziz，第二作者李鵬程和第三作者陳東勝也均為物理系博士生，第四作者呂東紅為生物醫學工程系專業碩士生，通訊作者為馬輝教授。此項工作在清華大學深圳研究生院完成。

【圖文導讀】

圖1 米氏區球散射的蒙特卡洛模擬

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米氏區球散射的蒙特卡洛模擬，顯示不同樣品和實驗條件所得穆勒矩陣在PI-PΔ 空間中的分布特征。紅色為前向，藍色點為背向，數據點放大表示球散射體半徑增大

圖2 曲線的可行空間

（a）具有邊緣點A（0,0），B（1/3，1 /√3），C（1 /√3，√（2/3））和D（1,1）的PI-PΔ平面的曲線的可行空間

（b）具有尖點A（0,1），B [1/3，log4（3）]，C（1 /√3,1/ 2）和D（1，0）的S（M）-PΔ平面曲線的可行空間

【研究內容】

偏振是光的一個重要特征。光與介質相互作用之后，其偏振態變化與介質光學特性與微觀結構密切相關。因此，光學偏振測量與成像方法可以獲得復雜介質豐富的微觀結構信息，在材料、生物和遙感等領域越來越受到重視。

傳統偏振光學為橢偏學（ellipsometry），它通過偏振光與介質相互作用之后純偏振態的變化獲得介質的雙折射和吸收等光學參數，并利用建模和電磁學理論計算，獲得復雜多層膜介質的光學性質與結構特征。橢偏測量是材料科學研究中十分重要的測量手段！對于復雜樣品如生物組織，純偏振光與之作用之后一般變為部分偏振光，偏振態需要采用4維斯托克斯（Stokes）矢量表達，樣品的偏振光學特征則采用4x4穆勒（Mueller）矩陣表征，它包含樣品的全部偏振光學特征。偏振光學已經發展成為偏振學（polarimetry），它研究偏振光與復雜介質相互作用之后偏振態的變化，并通過測量和解釋穆勒矩陣獲得樣品的微觀結構特征。退偏是偏振學關注的重要物理量，它與樣品的微觀光學性質和結構特征密切相關，包括：散射顆粒的大小、形態、密度、取向和排列，以及散射顆粒和間質的光學性質，如折射率和雙折射、吸收和二向色性等。對于偏振非平面波，即使其通過非散射介質（如波片）也會由于不同角度光子歷經的相位延遲不同造成等效退偏。了解樣品的退偏性質和退偏機制，是獲得散射介質的微觀結構特征的必要條件，也是了解偏振測量的誤差來源、優化偏振光測量裝置和抑制系統誤差重要手段 。

參考前人工作中引入的偏振熵 S(M) （polarization entropy）概念（Phys. Rev. Lett. 94, 090406，2005），馬輝課題組提出用穆勒矩陣M的協方差矩陣 H 的本征值定義 “偏振純度” PI (overall polarimetry purity index) ，以及偏振純度-退偏平面（PI-PΔ Plane）（Fig.1），它與退偏熵-退偏平面（S(M)-PΔ Plane）有一一對應的關系，但PI的計算和應用比偏振熵更加簡單，反映的物理信息更加清晰，物理可信穆勒矩陣只能存在于PI-PΔ空間中梯形邊框所限定區域之內（Fig.1）。課題組分析了PI-PΔ 空間各個頂點、邊線和子區域的物理意義，以及不同區域可能包含的退偏機制信息，演示了利用PI-PΔ 圖確定實驗所得穆勒矩陣的可信度和提供實驗誤差來源信息的可行性。利用課題組前期工作中發展的散射模型和蒙特卡洛模擬程序，文章指出前人報導的所謂“空白子區域”和“反常退偏”（Opt. Lett. 30, 23, 2005）并無實際意義。本項工作為研究偏振光在復雜介質中的退偏機制和特征提供了新的工具，所得結論也適用于矢量光場，以及經典和量子體系的散射過程。

馬輝教授課題組從2004年開始在清華深圳研究生院開展偏振光散射與應用研究，研究方向包括：復雜介質中偏振光散射行為、偏振光學測量方法、微觀結構偏振特征的定量表征與測量、偏振方法的應用。目前已經發表文章50余篇，在病變組織定量診斷、海洋微生物原位細致分類、氣體顆粒物分類和源解析等應用領域獲得基金委和科技部大項目支持。

原文鏈接：http://www.tsinghua.edu.cn/publish/phy/10552/2017/20170725194711434921141/20170725194711434921141_.html

文獻鏈接：Physically Realizable Space for the Purity-Depolarization Plane for Polarized Light Scattering Media (Physical Review Letters,2017,DOI：org/10.1103/PhysRevLett.119.033202)

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