基于偏振敏感光学相干层析术的人体组织退偏特性在体测量方法

报道了一种基于偏振敏感光学相干层析术的人体组织退偏特性在体测量方法。以人体手指指甲为样品,采用基于斯托克斯矢量的测量方法和基于宏观穆勒矩阵的测量方法,获得了指甲的不同退偏参数图像,并通过比较图像来衡量这两种方法的优劣。基于穆勒矩阵的方法获得的图像中,能明显区分出甲床结构,对比度高,但能显示出的结构较少。基于斯托克斯矢量的方法获得的图像中,不同偏振光在样品同一位置处获得的退偏均匀度值不同。选取45°偏振光计算其后向反射光的圆偏振度可以获得样品结构信息,包括指甲的甲板、甲床和甲基质下的真皮层。基于斯托克斯矢量法入射45°偏振光测量圆偏振度的方法计算量小,且提取出的结构信息最多,成像效果最好。

基于偏振敏感光学相干层析术的脑胶质瘤成像

脑胶质瘤是一种侵袭性的恶性原发性脑肿瘤,术中准确区分胶质瘤和正常脑组织极具挑战性。基于高分辨偏振敏感光学相干层析术(PS-OCT)对正常小鼠脑和胶质瘤模型小鼠脑进行成像,计算了强度、累积相位延迟和累积光轴信息。结果表明,从PS-OCT图像中可以清楚地显示出鼠脑中的纤维结构及其取向;借助PS-OCT图像中丰富的偏振信息,可以准确区分鼠脑胶质瘤区和正常区;基于计算的光轴标准差可以有效区分胶质瘤和正常脑组织。研究结果表明,高分辨PS-OCT在脑组织成像及脑胶质瘤识别方面具有很大的临床应用潜力。

基于光纤型偏振敏感光学相干层析成像的猪皮烧伤多参量成像分析

皮肤烧伤是一种常见的皮肤疾病,对皮肤烧伤程度的判别对于后续的治疗具有重要意义。光学相干层析技术是一种具有非侵入性、无损伤性和高分辨率等特点的光学检测技术。偏振敏感光学相干层析成像(PS-OCT)具有传统光学相干层析成像没有的双折射信息对比度,能够对病变皮肤进行高分辨率高对比度的实时三维成像。为推动PS-OCT在烧伤诊断中的临床应用,发展了一种简单紧凑且灵活高效的基于扫频光源、单模光纤和圆偏振态输入的PS-OCT技术,对离体猪皮组织进行了烧伤成像研究,并通过直方图相关性算法获得了图像的差异性量化指标。实验结果表明,与正常的皮肤组织相比,烧伤皮肤组织的胶原蛋白受高温影响后产生了明显的双折射变化。利用偏振均匀度(DOPU)、累积相位延迟(CPR)、Stokes偏振参数等,可以明显观察到烧伤后的皮肤组织变化。研究表明,该PS-OCT技术在烧伤诊断中具有很大的应用潜力,可以辅助医生进行烧伤程度的判断。

偏振敏感光学相干层析成像系统中样品光偏振对样品双折射相位延迟测量的影响

偏振敏感光学相干层析术可对生物双折射组织进行功能成像,然后通过分析相位延迟就可得到生物组织的信息。分析了单一入射偏振态对双折射相位延迟准确度的影响。首先提出了系统的理论模型,然后进行MATLAB模拟分析,最后通过实验进一步验证了理论模型的结果。通过MATLAB得到的图像以及实验结果可以看出:在样品具有确定的相位延迟量以及确定的光轴方向时,当线偏振入射光的偏振方向与光轴夹角为0°或者90°时,或当正椭圆入射光的偏振方向与光轴夹角为45°时,相位延迟的测量误差最小。

基于偏振敏感光学相干层析术的口腔鳞状细胞癌组织成像

口腔鳞状细胞癌(OSCC)发病率较高且预后效果有限,早期诊断和术中准确识别病变边界对于改善预后效果具有重要意义。偏振敏感光学相干层析术(PS-OCT)在获得组织微观结构信息的同时,可以获得组织的偏振信息,提高组织诊断的特异性。为验证PS-OCT技术在OSCC诊断应用中的可行性,利用自行开发的高分辨率PS-OCT系统对离体的OSCC组织进行了成像。初步的成像结果表明,与正常组织相比,OSCC具有明显的双折射特性,利用累积相位延迟可以明显地区分正常组织和癌组织。最终证明,高分辨率的PS-OCT技术在OSCC组织的识别诊断和边界检测方面具有很大的潜力,可以辅助医生进行疾病的筛查和术中边界检测。

偏振敏感光学相干层析对鸡肉组织两种变质过程的表征

利用偏振敏感光学相干层析(PS-OCT)成像技术可以测量鸡肉新鲜度对鸡肉相位延迟的影响。给出了两种组织变质过程中PS-OCT的测量结果,通过组织双折射光学特性的数据提取反映了鸡肉脱水和水解两种不同过程。脱水过程主要影响组织的折射率和微纤维尺寸,双折射随鸡肉脱水程度增加而增大,过程由表及里,最后随深度均匀分布。水解过程主要影响组织中纤维状散射单元的比例和分布一致性,双折射随鸡肉水解状态而减弱,过程是由里及表,最终随水解完成而消失。实验结果显示了PS-OCT测量能够反映组织变质过程的结构和光学特性,并具有成为检测肉类新鲜度方法的潜力。

频域偏振敏感光学相干层析系统的研制及应用研究

偏振敏感光学相干层析(PS-OCT)是在OCT技术基础上发展起来的一种可以测量样品偏振特性的层析测量方法。本文将具有更快扫描速率及更高灵敏度的频域OCT技术与偏振特性测量相结合,研制了频域PS-OCT系统,纵向分辨率达到了11μm,实现了高于260Hz的扫描速率,获得了样品双折射、Stokes向量的偏振信息图像。该实验系统对肌腱、肌肉纤维等生物组织样品进行的应用实验显示了PS-OCT成像方法在生物医学成像中的独特优势和发展潜力。

基于谱域偏振敏感光学相干层析的局域偏振属性提取及生物组织烧伤深度的定量测量

本文提出了一种基于谱域偏振敏感光学相干层析(SD-PSOCT)成像系统的局域偏振属性提取算法,并将其用于生物组织烧伤深度的定量测量。该SD-PSOCT系统采用全单模光纤器件,使用光纤型偏振控制器实现单偏振态入射样品,利用线性波数光谱仪实现偏振敏感探测,基于逐层迭代算法恢复局域偏振属性信息。测量了四分之一波片的相位延迟和光轴方位角,重建了不同程度烧伤牛腱组织的OCT强度图像、累积相位延迟层析图像、累积光轴方位角层析图像、局域相位延迟层析图像和局域光轴方位角层析图像。基于局域相位延迟层析图像定量测量了不同程度烧伤牛腱组织的烧伤深度,验证了该系统用于定量测量生物组织烧伤深度的可行性和临床应用潜力。

基于单相机的微米谱域偏振光学相干层析成像方法

提出一种基于单相机的偏振谱域光学相干层析方法。该方法基于全单模光纤光路,使用宽带光源实现微米纵向高分辨率成像性能。通过硬件和软件两方面对系统色散进行矫正补偿,提高系统的实际分辨率。为实现样本偏振态的测量,入射至样品表面及参考臂的光偏振态由偏振片和四个偏振控制器进行调制。此外,利用偏振片在不同时间的通道切换实现两正交通道光谱信号的分时探测。根据得到的正交光谱信息,计算重构样品强度图和相位延迟图。该系统成功实现了单相机的偏振OCT测量,通过获取离体生物组织的强度图和相位延迟图验证了系统的成像能力。该方法为实现小型化在体高分辨偏振成像打下基础。

位相分辨偏振灵敏光学相干层析术:组织双折射特性的成像与定量分析(英文)

我们研制了一种基于光纤的位相分辨偏振灵敏光学相干层析成像系统。该系统中的偏振状态控制设置在参考臂而非光源臂上,因而使得光抵达样品的传输效率大大提高。鉴于光源的部分偏振性,入射于样品上的光含有任意偏振状态的分量,通过对参考光偏振状态的调制,就可相干地提取对应于入射光四种正交偏振状态并经样品后向散射的光信号。基于斯托克斯矢量夹角在无损光纤系统传输的变换不变性,我们能利用测量臂中光信号的斯托克斯参数来确定双折射样品深度分辨的位相延迟信息。利用所研制的偏振灵敏光学相干层析成像系统,不仅确认了韧带和软骨的双折射性质,而且定量分析了不同条件下韧带的双折射变化。研究结果表明:韧带松弛可使其双折射特性明显减弱,而韧带经拉伸后,其双折射特性的变化却不明显。

检偏器对轴角度误差对光纤环偏振耦合测量的影响研究

为了分析检偏器偏振轴与光纤偏振主轴间的对轴角度误差对光纤环偏振耦合强度测量结果的影响,从理论上分析了采用光相干域偏振检测(OCDP)技术测试光纤环偏振耦合强度的基本原理,建立了光纤环中偏振耦合点耦合强度与检偏器对轴角度间的关系模型。根据模型仿真分析了耦合点偏振耦合强度测量值随检偏器对轴角度的变化规律。仿真结果表明:当检偏器偏振轴与光纤环偏振轴夹角为45°时测量误差最小,夹角偏离45°越大,产生的强度测量误差越大。当检偏器偏振轴与光纤环偏振轴的对轴误差为0.6°时,对轴误差引起的偏振耦合强度测量误差为0.18 dB。将对轴误差控制在3°以内,可使得偏振轴对轴误差引起的偏振耦合强度测量误差<1 dB。

光学相干断层扫描成像系统中消偏振分光膜的研制

消偏振分束镜能够将光学相干断层扫描干涉成像系统中的信号光进行分束,是光学相干断层扫描成像系统中重要的组成器件。为了减小45度角入射时P光和S光造成的偏振分离,针对成像系统中分光棱镜的参数要求,选择Ti3O5、Al2O3和Mg F2薄膜材料,借助Macleod膜系设计软件,结合Compact Design功能,运用Optimac和Needle Synthesis两种优化方法进行优化设计,选择电子束加热蒸发和离子源辅助沉积的方式镀制薄膜。根据实际镀膜结果,运用Independent Sensitivity功能对膜层敏感度进行分析,并采用Reverse Engineering模块进行逆向模拟分析,判断镀膜误差主要来源于不同监控波长的光控tooling值有细微的差距以及膜层的Final Swing值过大。通过改变不同监控波长的光控tooling值以及对敏感度较高的膜层进行重点监控,制备的消偏振分光膜经过测试,1310±50nm处P光平均透射比为51.47%,S光平均透射比为49.11%,偏振度为4.59%,满足成像系统的使用要求,并通过了环境测试。

一种新颖的偏振不敏感的阵列波导光栅

提出了一种新颖偏振不敏感的阵列波导光栅(AWG)。器件的输入端增加了一个全光学偏振自动控制器(AOPSC),可将注入AWG的随机偏振的输入光转换为与AWG中TE0模偏振方向相同且功率损耗很小的线偏振光。AWG结构设计采用非对称的平面波导,包层与波导芯层的相对折射率差为0.7%,波导芯层的宽厚比要高,可以消除TE与TM模的简并,使波导中只能激励TE0模,而使TM0模截止。这种AWG结构完全消除了不同偏振态信号光对AWG工作性能的影响,从而使器件对偏振不敏感。设计的8×0.8nm器件整体尺寸为2cm×1cm,串扰优于-30dB,最大插入损耗为4.2dB。

湍流中漫射目标偏振部分相干激光的闪烁特性

采用广义惠更斯-菲涅耳原理和矩阵光学理论,研究了湍流大气中偏振部分相干激光波束从发射机到目标和从目标到接收机双程路径的闪烁特性。将产生任意偏振光束的琼斯矩阵和ABCD传输矩阵进行结合,围绕接收机处波场四阶矩展开推导,得出双程路径下偏振部分相干激光波束在接收机处的闪烁指数表达式,数值分析了大气折射率结构常数、激光波束的波长、束宽、相干长度对接收机处光强闪烁指数的影响。结果表明:偏振部分相干激光波束的闪烁指数随着目标与发射机之间距离呈现先增大、到达峰值后逐渐减小的变化趋势;相干性差的光束产生的闪烁指数小,相干长度微小的变化将会产生较大的闪烁指数变化,相干性好的光束产生较大的闪烁指数,但是相干长度的变化对闪烁指数的影响很小。

短相干照明与偏振相结合的水下远距离成像

随着透明海洋战略的提出,低成本的凝视成像装备在水下光学成像中独具优势。然而,后向散射和成像目标难以分离,远距离凝视成像极为困难。更为严重的是,在采集到有效目标图像之前,过强的后向散射噪声已经使图像提前饱和,无法进行后续处理。本文提出了短相干照明与偏振成像相结合的水下远距离成像方法,利用短相干光源照明简化后向散射与成像目标的分离过程,同时,采用偏振技术有效抑制后向散射,防止图像提前饱和,保障目标图像的有效采集。为此,搭建了大型水下光学成像实验平台,并对22 m的远距离水下目标进行了成像试验研究。试验结果表明,该复合成像方法获得的图像信噪比由0.50 dB提高到13.57 dB,设备的抗提前饱和能力提高了1.42倍,优于传统的偏振成像,可以为大范围水下光学监控提供技术支撑。

光波偏振态的相干矩阵表示及变换的研究

为从物理本质上揭示光波偏振态、偏振的叠加、混合和传播等概念和应用,利用相干矩阵方法分析光波偏振态。深入探讨了几种特殊意义情况下光波相干矩阵的特点及其可能的合成方式。选择部分偏振态通过线性光学元件和以布儒斯特角入射介质分界面时透射光偏振特性分析的典型例子,揭示了光波偏振态的变换问题。并在邦加球中以图解形式表示光波偏振态的几种合成形式及相干矩阵传输前后的偏振态变换。图解法使物理量的代数表示几何化,能更形象地描述偏振态的物理意义。分析表明,完全描述光波的偏振特性需要相干矩阵的本征值和本征态共同表征。

偏振不敏感的表面等离激元三维聚焦研究获进展

表面等离激元（ surfaceplas-mons ）是一种局域在金属和电介质界面处的电磁场模式，能够突破光学衍射极限，将携带的光学信息和能量局域在亚波长尺度。在高端纳米光学应用领域，如高分辨近场光学成像、针尖增强拉曼光谱，光学集成器件、纳米光刻、光学信息存储以及生物传感等领域，通常需要将信号光聚焦至纳米量级，因此对表面等离激元纳米聚焦的研究成为近年来国内外的研究热点。传统的表面等离激元聚焦一般采用二维金属纳米结构，如牛眼结构、弧形纳米孔阵列、渐变球链、楔形波导以及二维光栅等结构，对入射光的偏振方向具有强烈的依赖性。针对这些问题，最近中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室（筹）光物理重点实验室的李家方副研究员、李志远研究员与微加工实验室的顾长志研究员、牟佳佳博士研究生、李无瑕副主任工程师合作，在偏振不敏感的表面等离激元三维聚焦方面的研究获得进展。

偏振不敏感高选择性颜色滤波器

提出一种偏振不敏感且高选择性的新型纳米结构颜色滤波器。当平面光入射到超材料表面时,金属与介质交界处会发生表面等离子体共振和光学异常透射现象,部分频率的光被束缚在微纳结构中,而其他频率的光发生透射,从而实现滤色效果。采用时域有限差分法,对4种不同结构的滤波器的透射光谱和颜色显示规律进行研究。同时,还研究了结构周期、圆环直径、十字架宽度和偏振角等参数对透射光谱和滤波特性的影响。结果表明:与单层表面等离子结构相比,所提双层等离子体亚表面结构模型的透射率更高;在可见光波段内,该滤波器具有偏振不敏感特性,半峰全宽的最小值为23.26 nm,并且具有90.5%的高透射率。这项研究为下一代颜色滤波器的设计提供了理论参考。

双Mach-Zehnder光纤干涉传感系统中的偏振衰落控制

针对偏振衰落现象导致信号关联的二义性使分布式双Mach-Zehnder光纤干涉传感系统难以实现高精度定位的问题,提出了一种控制偏振衰落的方法来保持系统检测信号的稳定性。利用系统的偏振模型分析了偏振衰落的来源,指出传感光纤偏振特性的不一致使系统检测信号对输入偏振态敏感是造成信号相关性恶化的根本原因,据此提出控制输入偏振态、搜索偏振态工作点的抗偏振衰落思想。在此基础上通过分析输入偏振态的两个参量对信号相关系数的作用进一步明确了偏振控制对算法的要求,并利用模拟退火算法进行了验证。现场实验表明,该算法可快速搜索偏振态工作点,持续稳定系统检测信号的相关性;结果证实了提出的偏振衰落控制方法可行且有效。

相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法

相位敏感型光时域反射(Φ-OTDR)传感系统具有响应速度快、灵敏度高等优点,能够实现对微弱扰动的分布式检测,在重大设施的入侵警戒、大型工程结构的健康监测等领域具有广阔应用前景.然而,与传统的OTDR传感系统不同,Φ-OTDR系统中存在着激光器中心频率漂移、偏振相关的噪声、光纤应变与干涉强度非线性对应关系引起的测量失真等光学背景噪声,对有效信号的提取形成了不可忽视的干扰,从而限制了Φ-OTDR传感系统在实际应用环境下的传感性能.本文对这些光学背景噪声的产生机理进行了深入分析,并提出了相应的噪声抑制方法.实验结果表明,本文提出的方法可以有效抑制Φ-OTDR传感系统中的光学背景噪声,并显著提高传感系统性能.