马辉课题组偏振光散射研究取得重要成果

 

在2017年7月21日第119期的Physical Review Letters上,马辉课题组刊登了题为“在偏振纯度-退偏平面中偏振散射介质的物理可信空间”的研究论文。(https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.033202)。文章第一作者为来自巴基斯坦的物理系博士生 Tariq Aziz,第二作者李鹏程和第三作者陈东胜也均为物理系博士生,第四作者吕东红为生物医学工程系专业硕士生,通讯作者为马辉教授。此项工作在清华大学深圳研究生院完成。

偏振是光的一个重要特征。光与介质相互作用之后,其偏振态变化与介质光学特性与微观结构密切相关。因此,光学偏振测量与成像方法可以获得复杂介质丰富的微观结构信息,在材料、生物和遥感等领域越来越受到重视。

传统偏振光学为椭偏学(ellipsometry),它通过偏振光与介质相互作用之后纯偏振态的变化获得介质的双折射和吸收等光学参数,并利用建模和电磁学理论计算,获得复杂多层膜介质的光学性质与结构特征。椭偏测量是材料科学研究中十分重要的测量手段!对于复杂样品如生物组织,纯偏振光与之作用之后一般变为部分偏振光,偏振态需要采用4维斯托克斯(Stokes)矢量表达,样品的偏振光学特征则采用4x4穆勒(Mueller)矩阵表征,它包含样品的全部偏振光学特征。偏振光学已经发展成为偏振学(polarimetry),它研究偏振光与复杂介质相互作用之后偏振态的变化,并通过测量和解释穆勒矩阵获得样品的微观结构特征。退偏是偏振学关注的重要物理量,它与样品的微观光学性质和结构特征密切相关,包括:散射颗粒的大小、形态、密度、取向和排列,以及散射颗粒和间质的光学性质,如折射率和双折射、吸收和二向色性等。对于偏振非平面波,即使其通过非散射介质(如波片)也会由于不同角度光子历经的相位延迟不同造成等效退偏。了解样品的退偏性质和退偏机制,是获得散射介质的微观结构特征的必要条件,也是了解偏振测量的误差来源、优化偏振光测量装置和抑制系统误差重要手段 。

 

FIG. 1. 米氏区球散射的蒙特卡洛模拟,显示不同样品和实验条件所得穆勒矩阵在PI-PΔ 空间中的分布特征。红色为前向,蓝色点为背向,数据点放大表示球散射体半径增大。

参考前人工作中引入的偏振熵 S(M) (polarization entropy)概念(Phys. Rev. Lett. 94, 090406,2005),马辉课题组提出用穆勒矩阵M的协方差矩阵 H 的本征值定义 “偏振纯度” PI (overall polarimetry purity index) ,以及偏振纯度-退偏平面(PI-PΔ Plane)(Fig.1),它与退偏熵-退偏平面(S(M)-PΔ Plane)有一一对应的关系,但PI的计算和应用比偏振熵更加简单,反映的物理信息更加清晰,物理可信穆勒矩阵只能存在于PI-PΔ空间中梯形边框所限定区域之内(Fig.1)。课题组分析了PI-PΔ 空间各个顶点、边线和子区域的物理意义,以及不同区域可能包含的退偏机制信息,演示了利用PI-PΔ 图确定实验所得穆勒矩阵的可信度和提供实验误差来源信息的可行性。利用课题组前期工作中发展的散射模型和蒙特卡洛模拟程序,文章指出前人报导的所谓“空白子区域”和“反常退偏”(Opt. Lett. 30, 23, 2005)并无实际意义。本项工作为研究偏振光在复杂介质中的退偏机制和特征提供了新的工具,所得结论也适用于矢量光场,以及经典和量子体系的散射过程。

马辉教授课题组从2004年开始在清华深圳研究生院开展偏振光散射与应用研究,研究方向包括:复杂介质中偏振光散射行为、偏振光学测量方法、微观结构偏振特征的定量表征与测量、偏振方法的应用。目前已经发表文章50余篇,在病变组织定量诊断、海洋微生物原位细致分类、气体颗粒物分类和源解析等应用领域获得基金委和科技部大项目支持。