基于斯托克斯参量测量的偏振共焦显微成像技术的研究

提出了一种基于斯托克斯(Stokes)参量测量的偏振共焦显微成像新方法。以斯托克斯参量、偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量作为成像物理量,通过系统集成方法将斯托克斯参量测量系统整合到共焦显微成像系统,通过共焦显微成像系统的显微物镜将激光聚焦到样品表面,而带有样品偏振信息的反射光进入斯托克斯参量测量系统进行偏振测量,把从斯托克斯参量测量系统中出射的4个斯托克斯光分别聚焦到4个点探测器进行光电探测,实现斯托克斯参量的共焦探测,同时获得同一物点的4个斯托克斯参量以及偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量。对样品进行二维扫描,获得不同物点的4个斯托克斯参量及其相关的偏振参量,利用计算机软件进行图像重建,从而获得样品的斯托克斯参量及其相关偏振参量的共焦显微图像。     

椭圆偏振光参量的测定

描述光波偏振态有多种方法,使用斯托克斯参量来表示单色波偏振态是其常用的一种。实验是在主轴坐标系中进行的,在直角坐标系和主轴坐标系中斯托克斯参量的表示是不相同的,可用一定的关系进行转换。通过实验测量斯托克斯参量,求出椭圆偏振光参量。实验结果与理论计算值相符合。     

在与原子相互作用中光偏振态的量子描述及其演化

应用偏振光的量子理论和斯托克斯算符研究了无克尔媒质和存在克尔媒质情况下，光在与原子相互作用过程中偏振态的演化.研究了偏振光中斯托克斯参量的涨落及其压缩的非经典行为.偏振椭圆、量子光学中的偏振度和斯托克斯参量的信噪比也得到了讨论.结果表明斯托克斯参量及其涨落在时间演化中呈现出被调制的振荡，这些振荡表现出间歇地崩塌和恢复.在与原子的相互作用过程中，光的偏振椭圆不随时间变化，但偏振度却随时间出现振荡.克尔媒质对这些振荡演化有很大影响. 关键词： 斯托克斯算符 斯托克斯参量 量子偏振态 量子涨落     

双折射光纤受激拉曼散射偏光特性的实验研究

对椭圆芯光纤受激拉曼散射偏光特性进行了系统的实验研究。实验巾观察到8级斯托克斯线和2级反斯托克斯线,对不同偏振态的抽运光激励下各级斯托克斯线的偏振特性、拉曼频移等参量进行了分析,并给出了经验公式。其结果与实验数据符合良好。实验表明,双折射光纤受激拉曼谱的各级斯托克斯线的偏振状态不但与拉曼介质有关还与抽运光的偏振态有关,入射抽运光偏振态对低阶次的斯托克斯线拉曼频移的影响较小,而对高级斯托克斯线拉曼频移影响较大。     

基于达曼光栅的快照式斯托克斯偏振测量方法

斯托克斯偏振测量常被用于获取光束的偏振特性。提出一种利用偏振无关的达曼光栅快照式测量偏振光束斯托克斯参量的方法。偏振光束通过达曼光栅后在空间对称的位置上被分成4束,这4束光经波片和线偏振器调制后,最终被CCD采集。将单次快照采集的光强图简单叠加运算就可计算得到偏振光束的斯托克斯参量,并可进一步计算得到偏振光束的偏振分布、矢量质量因子（VQF）和模间相位。所提测量方法对不同椭圆偏振光的测量结果与商用偏振测量仪的测量结果之间的平均相对误差为6.97%。所提方法的测量装置简单,无需转动任何器件,单次快照就可完成测量,具有可靠的测量精度。     

拉曼效应对低双折射光纤偏振特性的影响

在低双折射光纤中,利用线偏振光满足的包含拉曼效应的非线性耦合模传输方程,通过引入斯托克斯参量,导出了斯托克斯参量所满足的耦合模传输方程.利用庞加莱球图示法,描述了拉曼增益效应作用下光波偏振态的演化,研究分析了拉曼效应对低双折射光纤中光波偏振态演化规律的影响.结果表明,当输入功率与运动常量满足一定关系时,拉曼增益效应改变了光波传输时其偏振态演化周期和偏振态的椭圆率.     

石榴石型偏振调节器温度效应研究

采用磁控溅射法制备了石榴石型偏振调节器并研究了温度对其的影响.利用斯托克斯偏振仪和CCD,研究激光透过石榴石及石榴石型偏振调节器的偏振极化性质和光斑变化.实验结果表明:在25～75℃温度范围内,激光穿过不同材料时,斯托克斯参量变化趋势不同;但是因方位角不改变,激光的偏振度、线偏振度、圆偏振度基本不变.     

高双折射光纤中非线性耦合模偏振态稳定性分析

通过高双折射光纤中非线性耦合模传输方程,首先,利用斯托克斯参量,用庞加莱球研究分析了耦合模传输的稳定性及偏振态的演变,结果表明高双折射光纤中耦合模的传输不产生分歧现象,传输具有稳定性;其次,描述了拉曼效应对各种状态下偏振态演变规律的影响,给出了斯托克斯参量S₁,S₂与S₃的解析解及拉曼效应对偏振态的演变周期的影响.     

石榴石型偏振调节器温度效应研究（英文）

采用磁控溅射法制备了石榴石型偏振调节器并研究了温度对其的影响.利用斯托克斯偏振仪和CCD,研究激光透过石榴石及石榴石型偏振调节器的偏振极化性质和光斑变化.实验结果表明:在25~75℃温度范围内,激光穿过不同材料时,斯托克斯参量变化趋势不同;但是因方位角不改变,激光的偏振度、线偏振度、圆偏振度基本不变.     

偏振光斯托克斯参量的高速实时测量技术

为了满足对高速变化的偏振态的测量,提出一种能够对偏振态实现高速测量的技术。阐述了利用1/4波片与起偏器测量偏振光的斯托克斯参量常规的原理和方法,根据高速测量的要求推导出了新的斯托克斯参量计算公式,并依据此公式设计了基于多通道偏振态高速测量的方案,设计了具体的方法并编写了控制与算法程序。测试表明,该系统的测量速度达到了每秒700次偏振态测量,测量速度主要由电子线路的性能决定,测得的结果稳定可靠实现了光纤传输偏振态的高速测量。     

分振幅型全Stokes同时偏振成像系统波片相位延迟误差分析

分振幅型全Stokes同时偏振成像仪具有实时性好、空间分辨率高、精度高等优点,有很高的应用价值.分振幅型全Stokes同时偏振成像系统利用偏振分束器、1/2波片和1/4波片将入射光Stokes矢量调制在4幅图像中,可解析入射光Stokes矢量. 1/2波片和1/4波片的相位延迟误差对Stokes矢量测量精度有着不可忽略的影响.建立了包含上述两种误差的Stokes矢量测量误差方程,分析了1/2波片和1/4波片相位延迟耦合误差对自然光、0°/45°线偏光、左旋圆偏光等典型基态入射光的Stokes矢量测量误差的影响,推导了任意偏振态的Stokes矢量测量误差的表征方法.在邦加球球面和球内选取不同偏振度的Stokes矢量作为入射光进行仿真.结果表明, Stokes矢量测量误差和偏振度测量误差均随着入射光偏振度的增大而增大.选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统.为满足2%的偏振测量精度, 1/2波片相位延迟误差应在±1.6°内, 1/4波片相位延迟误差应在±0.5°内.这对提高系统的偏振测量精度具有重要意义,为系统设计和研制提供了重要的理论指导.     

光学元件残余偏振测量方法与装置

光学镜头的残余偏振是影响偏振遥感探测、偏振军事目标识别和精密光学测量仪器测量准确度的一个关键参数。针对大口径可见光波段光学镜头偏振度准确测量的问题,研制了一台光学镜头残余偏振度测量装置。该装置利用表面镀金属膜的大口径离轴抛物面反射镜作为准直光源,通过控制入射光的入射角、降低入射光源的残余偏振度等技术,在水平、垂直、45°、135°的方向获得了一致性很高的斯托克斯参量。为了验证该装置的性能,对可见光波段口径小于160 mm的光学镜头残余偏振进行了实际测量,测量结果表明,该测量装置的残余偏振度低于0.2%,可满足高精度光学镜头残余偏振的测量需要。     

Multiple scattering of elliptically polarized light in two-dimensional medium with large inhomogeneities

For elliptically polarized light incident on a two-dimensional medium with large inhomogeneities, the Stokes parameters of scattered waves are calculated. Multiple scattering is assumed to be sharply anisotropic. The degree of polarization of scattered radiation is shown to be a nonmonotonic function of depth when the incident wave is circularly polarized or its polarization vector is not parallel to the symmetry axis of the inhomogeneities.     

Stokes vector determination of polarized light propagation in turbid medium

We report a two dimensional Stokes vector imaging technique for transamination measurements of the polarization state of scattering medium. Measurement of the depth resolved Stokes parameters allows determination of the degree of polarization, birefringence, retardation, optical activity and characterization of the medium. The polarized light preserved and degree of polarization very with scatterer concentration. The transmitted intensity patterns by varying a polarization state of the incident laser light (λ = 632.8 nm) and changing analyzer configuration provides a useful information about concentration, orientation, and shape of the sample under investigation. The results are important for the understanding of polarization phenomenon in turbid media, like biological tissues.     

Scattering of partially polarized light by aligned atoms

A compact expression for the cross section of scattering of an arbitrarily polarized light by aligned atomic systems is obtained, in which the dependence on the geometric parameters and the Stokes parameters specifying the state of partial polarization of the incident radiation is represented in explicit form. The effect of atomic alignment and the processes of dissipation of the light energy on the polarization specific features and the angular distribution of the scattered light is investigated. In particular, it is shown that, if a dissipative channel is accessible, the angular distribution and the degree of linear polarization of scattered light depend on the degree of circular polarization of the incident radiation η₂. Dissipative processes also induce the circular polarization of the light scattered by aligned atoms when η₂=0.     

The scattering of partially polarized light by oriented atoms

A compact expression is derived for the cross section of scattering of arbitrarily polarized light by oriented atomic systems, in which the dependence on the geometric parameters and on the Stokes parameters preassigning the state of partial polarization of incident radiation is explicitly separated. It is found that the cross section of any photoprocess accompanied by photon absorption (stimulated emission) contains the sum of the products of the circular and linear dichroisms of the process by the respective Stokes parameters. The effect of the atomic orientation and of the dissipation of light energy on the polarization singularities and angular distribution of scattered light is investigated. In particular, it is demonstrated that, in the case of an open dissipation channel, the angular distribution remains dependent on the atomic orientation even in the case of zero degree of circular polarization of scattered radiation.     

偏振光在非球形气溶胶中传输特性的Monte Carlo仿真

非球形气溶胶是影响辐射传输的重要因素. 系统给出了矢量辐射传输Monte Carlo模型, 并验证了其准确度; 考虑入射光偏振态, 讨论了不同方向漫射光Stokes矢量对气溶胶形状的敏感性; 分析了气溶胶形状、入射光偏振状态对光波退偏振度、透过率及反射率的影响. 模拟仿真结果表明, 对于不同偏振态的入射光, 不同方向的Stokes矢量对气溶胶形状变化的灵敏程度并不一致, 而在天顶角0°方向区域,Q, U及V分量对形状的灵敏程度普遍不高; 气溶胶形状对反射漫射光退偏程度的影响强于透射漫射光, 入射光偏振态不同, 漫射光退偏程度也存在较大差异. 气溶胶形状对光波整体透过率与反射率影响显著, 且该影响随传播距离增大而增大; 入射光偏振态对透过率与反射率影响相对较小, 与自然光相比, 水平偏振光透过率略偏小, 反射率略偏大, 垂直偏振光反之, 圆偏振光与自然光的模拟结果相当.     

基于声光滤光和液晶相位调谐的高光谱全偏振成像新技术

为了获取高光谱分辨率、高空间分辨率、高偏振精度、高信噪比和稳定性好的全部Stokes参量光谱图像, 考虑到声光可调谐滤光器(acousto-optical tunable filter, AOTF)的±1级衍射光的正交特性, 提出用一个AOTF滤光, 一个液晶可变延迟器(liquid crystal variable retarder, LCVR)进行相位调制和两个CCD相机分别对±1级衍射光成像的高光谱全偏振成像新技术. 从所采用的光学元件的穆勒矩阵出发, 阐述了该技术的基本工作原理; 理论分析表明, LCVR不但不会影响到第一个Stokes参量的探测精度, 而且后3个Stokes参量的相对误差分别优于0.064%, 0.31%和3.97%; 利用原理样机获取了450–700 nm、光谱带宽为10 nm的26个光谱通道的图像数据, 成像质量良好; 以工作波长为600 nm的入射光为例, 对其全部Stokes参量图像进行了具体分析讨论. 结果表明, 该新技术原理正确, 方案可行. 该研究可为光谱偏振成像技术提供新的理论和实现方案.     

单弹光调制傅里叶偏振光谱测量研究

提出一种基于弹光调制器（photoelastic-modulator, PEM)的复色光偏振光谱的傅里叶测量方法,被测光经过0(-45)弹光调制器调制,通过45(0)检偏器并由探测器探测调制后形成干涉信号,对干涉信号进行傅里叶变换,由所得结果实部和虚部得到被测光Stokes矢量中的S1、S2和S3的光谱。该方法降低了偏振光光程测量的复杂度,给出理论推导过程,并结合仿真结果与理论结果对比,证实了该方法复原后的偏振光谱与原始光谱可很好地吻合。     

Study on optical electron polarimeter and measurement of the relative Stokes parameters of weak light

In this paper, we present the research on an optical electron polarimeter, which is used to determine the polarization of an incident electron beam by measuring the relative Stokes parameters of the fluorescence emitted from the He gas following the impact excitation with the electron beam. The fundamental theory of the optical electron polarimeter is discussed with the 3³P→2³S transition of He. The structure and performance of the instrument are described, which are different in some aspects from previous works. The arrangement of the experiment for measuring the relative Stokes parameters of linearly polarized weak light is also investigated, which actually involves the same processes as the polarization measurement with the incident electron beam. The results obtained are in agreement with the theoretical prediction.