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偏振激光的应用

2007-01-19 17:59
冷血の爱
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李小川 廖云
电子科技大学光电信息学院

摘要:本文通过介绍偏振激光的Stokes矢量表示法、偏振度、解偏度的概念来说明偏振激光的应用,如水下成像技术以及医学上的诊断应用。
关键词:偏振激光、偏振度、解偏度、光散射

一、偏振光原理
偏振光的状态描述有琼斯矢量法、斯托克斯矢量法、邦加球(Poincare)作图法等。Jones矢量描述的只是处于完全偏振状态的偏振光,用互为正交的两个振动分量表示,分量之间具有位相差。邦加球用单位球面上的点表示偏振光状态,具有直观,容易理解的优点,但不易进行复杂的计算。而Stokes矢量是用列矩阵定义的一个四维矢量,不仅可以表示完全偏振状态的光,也可以表示部分偏振光。所以在散射介质与偏振光的相互作用求解中,采用Stokes矢量来描述光的偏振态。Stokes矢量由四个参数写成下列矩阵形式:

式中的4×4矩阵为单个粒子光散射的Mueller矩阵,也称为相位矩阵。Mueller矩阵是用来描述器件、散射介质等对光的偏振态的变换作用。如果在知道入射光的偏振信息,通过Mueller矩阵就可以计算出散射光的偏振状态,通过比较散射光与入射光之间的偏振度,可以分析散射介质的一些特性。

由Mueller矩阵决定的散射光的解偏度(DOP)定义为:

D取值范围为[l,4]。对于完全解偏情形,D=1;散射光处于部分偏振状态时1<D<4;散射光与入射光偏振态保持一致对应于完全保偏,D=4。解偏度越大意味着光的解偏程度越小,介质保持偏振态的能力越强,反之亦然。

二、偏振激光应用价值
偏振效应是散射光的一个重要特性。偏振光源在与介质相互作用以后出来的散射光会带有其自身的特性所决定的偏振信息,有别于通常测量得到的光强、光谱、相位等信息,并且偏振光在散射介质中的传输也是有规律可循的。研究表明对偏振信息的利用是可行且有效的。在大气光学、海洋光学中,人们早就开始了对混浊介质中偏振光的散射现象研究,并取得了一系列的成果,如大气激光雷达系统通过分析云层散射光的偏振特性能遥感大气中各种气溶胶的存在;根据介质散射和目标反射光的不同偏振特性可利用偏振技术排除粒子散射光的干扰从而提高水下图像的清晰度;近年来随着生物组织光学的不断升温,生物组织中偏光信息的价值愈来愈引起人们的重视。散射介质的特性可以通过改变入射光的偏振状态而后分析出射光的偏振特性得到,运用偏振手段可对生物组织病变前后的偏振参数进行测量、对比、分析,从而给医疗诊断提供了一种新的信息分析手段,偏振检测特别适用于双折射和表面旋光性的组织,并且可以排除组织界面的镜式反射;同时偏振成像技术国外已应用于生物医学成像,偏振灵敏光学OCT、利用偏振差分成像、以及偏振门等技术都能在成像领域里取得独特的效果。本文主要以水下成像和在医学上的应用来说明偏振激光的应用前景。

1.水下成像应用
混浊介质中物体的成像目前仍然是科学与工程界较难解决的问题之一。数年的研究表明,限制水下成像的距离主要有以下原因:吸收和散射作用造成光在水中的衰减;而光的后向散射造成目标图像的不清晰;目标与探测器之间的光散射使图像模糊并降低图像的对比度。在水下激光探测的研究中,大多都是利用光强度成像,还有的采用距离选通技术。因此,绝大多数系统都是通过检测图像在空域的影射强度来达到获取目标信息的目的,而较少考虑散射介质对目标成像所起的干扰作用,而恰恰是这些由于散射介质而产生的散射光对目标的成像产生了比较大的损害。在水下成像应用中,根据悬浮粒子(水、雾、雨)后向散射光的解偏振度小于物体后向散射光的解偏振度原理,采用线偏振光或圆偏振光作照明光源,并在探测器前放置线偏振器或圆偏振器,以及利用水中粒子散射光和物体散射光解偏振度的差异,来减小悬浮微粒后向光散射光影响,从而可以提高水下物体的图像对比度。

在对不同浑浊度、不同距离处水下目标进行单脉冲激光探测的研究中,使用一种处理目标散射图像的方法。通过获得目标的两个正交偏振态的图像,产生PDI(Polarization-Difference Image偏振差分图像)。利用PDI中目标和背景偏振信息的差异来研究经过水散射后的目标图像。研究表明,这种方法可以揭示由于水体的散射而变得模糊不清的目标图像的特征,提高了目标在相同距离、相同水质情况下的清晰度,增加了水下激光探测距离。

而普通意义上的成像则是建立在测量和记录被测物体所反射回来光的强度。在激光水下探测系统中,就是通过如ICCT(Intensified CCD)摄像机,运用距离选通技术,记录下目标靶所反射回来的激光强度。也就是说,图像上每一个点的灰度大小对应的是该点所能反射的照明激光的光强。由于目标上各点的反射强度不一样,所反射的激光强度也就不一样,反映在目标图像上是以不同的灰度级表示,这种成像系统简称为普通成像系统。因为这种系统并不不测量激光在传播当中经过水体散射后的偏振情况,也就忽略了偏振光在散射介质中成像时所起的作用。

在这种普通成像系统中,实际上感光器件所获得的激光强度也是由偏振光所组成的。因为感光器件所获得的激光总光强度

与PS图像不同的是,此时两个正交方向上两个偏振轴的选取就不是任意的。因为PD图像的质量将与此有关,这两个轴的选取将关系到PD图像系统是否可以通过激光的偏振特性把背景的偏振光降低到最小值,从而提高水下目标成像的质量。也可以通过目标偏振光的特性,提高对目标特征的识别。

2.在医学上的诊断应用
近年来,高散射介质中(尤其在生物组织中)光输运问题被越来越广泛和深入的研究。在生物医学领域,大部分生物组织对于600-1300nm波段的光都呈高散射低吸收,类似于混浊介质。并且该波段的光对生物组织没有电离和辐射等危害作用,非常适用于人体组织的无损检测和成像。因此研究混浊介质中光的散射成像也成了生物光学的热点。高散射介质中的光学成像主要包括漫射光层析成像,相干光层析成像,早到光子技术(各种门技术),时间分辨光学成像、频域光学成像、超声调制技术,偏振调制技术等。其中的偏振成像技术是生物医学成像中的一个重要分支。偏振成像技术具有价格低廉的优点,并且偏振检测可排除组织界面的镜面反射。偏振成像技术包括:偏振差异成像、偏振门技术、偏振灵敏光学相干层析术(Polarization-ensitive OCT)等。其中偏振差异成像利用介质和目标散射光偏振特性的差异来获取目标物体的信息,去除散射光对成像的干扰;偏振门技术利用偏振光在散射介质中传播时其原偏振态在多次散射中散失而在弱散射中保持部分的偏振态这一特性来分离出非散射或弱散射的光;PS-OCT主要是建立在OCT和SLP(激光扫描偏振计)的基础上,采用偏振低相干干涉的方法,采用介质的偏振特性作为成像因子。

偏振成像技术应用比较成熟的领域在于激光水下探测(如水下成像应用)。根据悬浮粒子后向散射光的偏振度小于物体后向散射光的偏振度,以及粒子散射光和物体散射光偏振特性的差异,来减小悬浮微粒后向光散射的影响,能得到较好的图像对比度。最近报道的线偏振差异成像表明偏振成像距离是传统强度成像距离的2-3倍。基于偏振识别的技术对减少后向散射光和提高成像质量方面正成为一项非常有前景的技术[07]。通常把生物组织看成是一种充满散射和吸收的悬浮粒子,并且散射系数大,吸收系数小。在激光医学的诊断和治疗中,常需要对其中发生的病变如肿瘤等进行成像。从水下成像研究中得到启发,由于正常组织和病变组织(肿瘤)在光学特性上有差异,如肿瘤的吸收系数比较大。若在偏振光入射的情况下,病变组织(成像目标物体)散射光和正常组织散射光的解偏度也具有差异,就能够利用这样的差异,来减小组织中强后向散射光的影响,使对生物组织中肿瘤的成像能够获得较好的对比度。

三、总结
偏振是光的三大特征(干涉,衍射,偏振)之一,对它的研究有重要的实际意义:如根据反射和透射光的偏振特性能获得光介质的表面性质(如表面粗糙程度);窥探出光介质的内部结构和材料特性;特别是对散射光偏振性质的研究有着更广泛的应用前景和科学价值:根据介质散射和目标反射光的不同偏振特性可利用偏振技术排除粒子散射光的干扰而提高水下图象的清晰度;利用激光需达分析云层散射光的偏振特性能遥感大气中各种气溶胶的存在等价值。

参考文献
[01] J.M.Schmitt, A.H.Gandjbakhche and R.F.Bonner, Use of polarized light to discriminate short-path photons in a multiple scattering medium, Appl.Opt, 1992, 31:6535-6546.
[02] V.Sankaran,K.Schonenberger,J.T.Walsh,et al.Polarization diccrimination of coherently propagating light in turbid media, Appl. Opt.1999, 38(19):4252-4261.
[03] S. G. Demos and R. R. Alfano, Temporal gating in highly scattering media by the degree of optical polarization, Opt. Lett, 1996, 21:161一163.
[04] S. R. Pal and A. Carswell, Polarization anisotropy in lidar multiple scattering from atmospheric clouds, Appl. Opt, 1985, 24:3464-3471.
[05] Rowe M P,Pugh E N, Tyo J S,et al. Polarization-difference imaging. Opt, Lett,1995, 20(6) 608-610
[06] 王凌.高散射介质的偏振光后向扩散散射研究 光学工程 2005.4
[07] 仇英辉 刘建国 魏庆农,混浊介质中利用后向散射光偏振进行目标识别的研究,量子电子学报,2003, 20(1):80-84.
[08] 王海晏 杨廷梧 安毓英,激光水下偏振特性用于目标图像探测,光子学报 2003.1

 

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