清華新聞網(wǎng)5月6日電 近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院何宏輝副教授和馬輝教授團(tuán)隊(duì)，與牛津大學(xué)何超青年研究員和馬丁·布斯（Martin Booth）教授團(tuán)隊(duì)合作在偏振矢量信息表征及其應(yīng)用方面取得新進(jìn)展。
繆勒矩陣是一個(gè)4X4的偏振態(tài)變換矩陣，可用于描述目標(biāo)的完整偏振性質(zhì)。自1943年漢斯·繆勒（Hans Mueller）提出這一矩陣后，如何從中提取矢量特異性參數(shù)，并利用這些參數(shù)對(duì)目標(biāo)體系進(jìn)行信息提取和解釋?zhuān)蔀榱似窆鈱W(xué)研究領(lǐng)域的熱門(mén)方向之一。近年來(lái)，研究者們提出并廣泛應(yīng)用了多種繆勒矩陣分析方法，如盧-奇普曼（Lu-Chipman）繆勒矩陣極化分解方法和繆勒矩陣變換方法。上述方法考慮到一般介質(zhì)具有的主要偏振光學(xué)特性，基于一定的假設(shè)，將繆勒矩陣進(jìn)行簡(jiǎn)化以及后續(xù)一系列的數(shù)學(xué)分解，以獲取一組具有較為明確物理意義的參數(shù)。大量的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，繆勒矩陣極化分解和變換參數(shù)具有定量獲取部分生物醫(yī)學(xué)等樣品結(jié)構(gòu)信息的能力。另一方面，基于繆勒矩陣的對(duì)稱(chēng)性/非對(duì)稱(chēng)性分析提取矢量信息是近年來(lái)偏振光學(xué)領(lǐng)域研究的一個(gè)前沿方向，并已經(jīng)取得一定進(jìn)展。然而現(xiàn)有的來(lái)自繆勒矩陣對(duì)稱(chēng)性分析的矢量度量參數(shù)還缺乏一個(gè)統(tǒng)一的表征形式。
圖1.生物醫(yī)學(xué)樣品的矢量信息圖像
研究團(tuán)隊(duì)在總結(jié)過(guò)去基于繆勒矩陣對(duì)稱(chēng)性/非對(duì)稱(chēng)性獲取的若干參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)統(tǒng)一參數(shù)表征形式，并演示了如何從不同物體的繆勒矩陣中提取出不同的矢量信息。研究團(tuán)隊(duì)初步演示了參數(shù)M1可用于表征復(fù)雜體系中存在的圓雙折射，從而首次在變折射率/變雙折射的復(fù)雜漸變體系中驗(yàn)證了光自旋霍爾效應(yīng)的出現(xiàn)；參數(shù)M2和M3可被用于表征激光直寫(xiě)的光波導(dǎo)中存在的矢量信息，即首次分析了熔融石英中刻寫(xiě)波導(dǎo)的全偏振信息；參數(shù)M4可被用于對(duì)非小細(xì)胞肺癌組織的快速邊界檢測(cè)以及結(jié)構(gòu)信息的提取，首次分析了組織中存在的軸向?qū)蛹?jí)偏振信息。本工作開(kāi)創(chuàng)性地揭示了繆勒矩陣的矢量度量參數(shù)除揭示物體物理信息外的兩個(gè)功能，即優(yōu)化系統(tǒng)和編輯矩陣。參數(shù)M5可用于優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)，使其偏振像差可以用被動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞较?。參?shù)M6等則可用于更廣泛的光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化。此外，作者初步展示了矢量參數(shù)的繆勒矩陣編輯功能——讓度量參數(shù)指導(dǎo)編輯不同繆勒矩陣的陣元。通過(guò)矩陣對(duì)稱(chēng)性/非對(duì)稱(chēng)性的推導(dǎo)，一方面獲得了一組具有廣泛應(yīng)用前景的矢量信息參數(shù)，另一方面也揭示出繆勒矩陣偏振光學(xué)領(lǐng)域未來(lái)廣闊的探索空間。
圖2.繆勒矩陣及其包含的物理信息
矢量光學(xué)的研究近年來(lái)獲得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，光的矢量性質(zhì)在不斷得到探索、拓展、應(yīng)用的同時(shí)，物體的矢量性質(zhì)的提取分析方法也在不斷發(fā)展。上述矢量性質(zhì)的研究目標(biāo)也正在從提取有意義的物理參數(shù)、揭示物體的物理信息，逐漸發(fā)展到包括輔助光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化等更多方面，從而將繆勒矩陣偏振光學(xué)方法的應(yīng)用拓展到量子力學(xué)及生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)的諸多領(lǐng)域。
圖3.《先進(jìn)光子學(xué)》第4卷第2期封面
相關(guān)研究成果以“偏振矢量信息揭示復(fù)雜光學(xué)現(xiàn)象”（Revealing complex optical phenomena through vectorial metrics）為題于近日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際著名期刊《先進(jìn)光子學(xué)》（Advanced Photonics），并被選為當(dāng)期封面文章。
論文第一作者為牛津大學(xué)圣約翰學(xué)院（St John’s College）青年研究員、博士生導(dǎo)師何超，他于2013-2016年期間就讀于清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院并獲工程碩士學(xué)位。論文第一作者還包括清華大學(xué)物理系2011級(jí)常金濤博士，以及牛津大學(xué)工程系帕特里克·索爾特（Patrick S Salter）博士。論文通訊作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院何宏輝副教授、馬輝教授，牛津大學(xué)何超青年研究員和馬丁·布斯（Martin J Booth）教授。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技計(jì)劃基礎(chǔ)研究（學(xué)科布局）等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1117/1.AP.4.2.026001
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：呂婷
