Advanced Photonics | 偏振矢量信息揭秘复杂光学现象

Advanced Photonics 2022年第2期封面论文：

Chao He*†, Jintao Chang†, Patrick S. Salter†, Yuanxing Shen, Ben Dai, Pengcheng Li, Yihan Jin, Samlan Chandran Thodika, Mengmeng Li, Aziz Tariq, Jingyu Wang, Jacopo Antonello, Yang Dong, Ji Qi, Jianyu Lin, Daniel S. Elson, Min Zhang, Honghui He*, Hui Ma*, and Martin J. Booth* “Revealing complex optical phenomena through vectorial metrics,” Advanced Photonics 4(2), 026001 

缪勒矩阵是偏振光学中最重要的算子之一，可用于描述目标的完整偏振性质。自1943 年Hans Mueller 提出这一算子后，如何从中提取矢量特异性参数，并利用这些参数对目标体系进行信息提取和解释，成为了偏振光学研究领域的热门方向之一。迄今为止，面向不同的应用领域，多种缪勒矩阵分析方法被提出，多套基于不同模型和假设的分解参数在生物医学等研究中被广泛使用。

缪勒矩阵是一个4X4的偏振态变换矩阵，其中包含了相位延迟、二向色性、退偏等物理信息。这些物理性质和样品的结构，成分等密不可分，因而缪勒矩阵具有表征样品结构和光学特征的潜力。然而上述信息通常由于介质的复杂性而互相纠缠，难以直接从缪勒矩阵元中获取。基于此，近年来多种缪勒矩阵分析方法被提出，如Lu-Chipman缪勒矩阵极化分解方法和缪勒矩阵变换参数方法是在生物医学领域应用较为广泛的两种分析法。上述方法考虑到一般介质具有的主要偏振光学特性，基于一定的假设，将缪勒矩阵进行简化以及后续一系列的数学分解，以获取一组具有较为明确物理意义的参数。大量的实际应用结果表明，缪勒矩阵极化分解和变换参数具有定量获取部分生物医学等样品结构信息的能力。

基于缪勒矩阵的对称性/非对称性分析提取矢量信息是近年来偏振光学领域研究的一个前沿方向，并已经取得一定进展。然而现有的来自缪勒矩阵对称性分析的矢量度量参数还缺乏一个统一的表征形式。近日，清华大学深圳国际研究生院何宏辉副教授和马辉教授团队，及牛津大学何超青年研究员及Martin Booth教授团队，以Revealing complex optical phenomena through vectorial metrics为题发表研究论文。论文在总结过去基于缪勒矩阵对称/非对称性获取的若干参数的基础上，提出了一个统一参数表征形式。基于此统一参数形式，作者演示了如何从不同物体的缪勒矩阵中提取出不同的矢量信息，并应用于展示光学自旋霍尔效应、波导的内部矢量信息分析、癌症组织的快速检测、偏振像差的被动补偿等多个领域，文章发表在 Advanced Photonics 第4卷第2期。

研究人员初步演示了参数M1可用于表征复杂体系中存在的圆双折射，从而首次在变折射率/变双折射的复杂渐变体系中验证了光自旋霍尔效应的出现；参数M2和M3可被用于表征激光直写的光波导中存在的矢量信息，即首次分析了熔融石英中刻写波导的全偏振信息；参数M4可被用于对非小细胞肺癌组织的快速边界检测以及结构信息的提取，首次分析了组织中存在的轴向层级偏振信息。

该工作开创性的揭示了缪勒矩阵的矢量度量参数除了揭示物体物理信息之外的两个职能，即优化系统和编辑矩阵。参数M5可用于优化光学系统，使其偏振像差可以用被动补偿的方式消除。参数M6等则可用于更广泛的光学系统优化。此外，作者也初步展示了矢量参数的缪勒矩阵编辑功能——让度量参数指导编辑不同缪勒矩阵的阵元。通过矩阵对称性/非对称性的推导，一方面获得了一组具有广泛应用前景的矢量信息参数，另一方面也揭示出缪勒矩阵偏振光学领域未来广阔的探索空间。