李小川 廖雲
電子科技大學光電信息學院
摘要：本文通過介紹偏振雷射的Stokes矢量表示法、偏振度、解偏度的概念來說明偏振雷射的應用，如水下成像技術以及醫學上的診斷應用。
關鍵詞：偏振雷射、偏振度、解偏度、光散射
一、偏振光原理
偏振光的狀態描述有瓊斯矢量法、斯託克斯矢量法、邦加球（Poincare）作圖法等。Jones矢量描述的只是處於完全偏振狀態的偏振光，用互為正交的兩個振動分量表示，分量之間具有位相差。邦加球用單位球面上的點表示偏振光狀態，具有直觀，容易理解的優點，但不易進行複雜的計算。而Stokes矢量是用列矩陣定義的一個四維矢量，不僅可以表示完全偏振狀態的光，也可以表示部分偏振光。所以在散射介質與偏振光的相互作用求解中，採用Stokes矢量來描述光的偏振態。Stokes矢量由四個參數寫成下列矩陣形式：
式中的4×4矩陣為單個粒子光散射的Mueller矩陣，也稱為相位矩陣。Mueller矩陣是用來描述器件、散射介質等對光的偏振態的變換作用。如果在知道入射光的偏振信息，通過Mueller矩陣就可以計算出散射光的偏振狀態，通過比較散射光與入射光之間的偏振度，可以分析散射介質的一些特性。
由Mueller矩陣決定的散射光的解偏度(DOP)定義為：
D取值範圍為[l,4]。對於完全解偏情形，D=1；散射光處於部分偏振狀態時1<D<4；散射光與入射光偏振態保持一致對應於完全保偏，D=4。解偏度越大意味著光的解偏程度越小，介質保持偏振態的能力越強，反之亦然。
二、偏振雷射應用價值
偏振效應是散射光的一個重要特性。偏振光源在與介質相互作用以後出來的散射光會帶有其自身的特性所決定的偏振信息，有別於通常測量得到的光強、光譜、相位等信息，並且偏振光在散射介質中的傳輸也是有規律可循的。研究表明對偏振信息的利用是可行且有效的。在大氣光學、海洋光學中，人們早就開始了對混濁介質中偏振光的散射現象研究，並取得了一系列的成果，如大氣雷射雷達系統通過分析雲層散射光的偏振特性能遙感大氣中各種氣溶膠的存在；根據介質散射和目標反射光的不同偏振特性可利用偏振技術排除粒子散射光的幹擾從而提高水下圖像的清晰度；近年來隨著生物組織光學的不斷升溫，生物組織中偏光信息的價值愈來愈引起人們的重視。散射介質的特性可以通過改變入射光的偏振狀態而後分析出射光的偏振特性得到，運用偏振手段可對生物組織病變前後的偏振參數進行測量、對比、分析，從而給醫療診斷提供了一種新的信息分析手段，偏振檢測特別適用於雙折射和表面旋光性的組織，並且可以排除組織界面的鏡式反射；同時偏振成像技術國外已應用於生物醫學成像，偏振靈敏光學OCT、利用偏振差分成像、以及偏振門等技術都能在成像領域裡取得獨特的效果。本文主要以水下成像和在醫學上的應用來說明偏振雷射的應用前景。
1.水下成像應用
混濁介質中物體的成像目前仍然是科學與工程界較難解決的問題之一。數年的研究表明，限制水下成像的距離主要有以下原因：吸收和散射作用造成光在水中的衰減；而光的後向散射造成目標圖像的不清晰；目標與探測器之間的光散射使圖像模糊並降低圖像的對比度。在水下雷射探測的研究中，大多都是利用光強度成像，還有的採用距離選通技術。因此，絕大多數系統都是通過檢測圖像在空域的影射強度來達到獲取目標信息的目的，而較少考慮散射介質對目標成像所起的幹擾作用，而恰恰是這些由於散射介質而產生的散射光對目標的成像產生了比較大的損害。在水下成像應用中，根據懸浮粒子(水、霧、雨)後向散射光的解偏振度小於物體後向散射光的解偏振度原理，採用線偏振光或圓偏振光作照明光源，並在探測器前放置線偏振器或圓偏振器，以及利用水中粒子散射光和物體散射光解偏振度的差異，來減小懸浮微粒後向光散射光影響，從而可以提高水下物體的圖像對比度。
在對不同渾濁度、不同距離處水下目標進行單脈衝雷射探測的研究中，使用一種處理目標散射圖像的方法。通過獲得目標的兩個正交偏振態的圖像，產生PDI(Polarization-Difference Image偏振差分圖像)。利用PDI中目標和背景偏振信息的差異來研究經過水散射後的目標圖像。研究表明，這種方法可以揭示由於水體的散射而變得模糊不清的目標圖像的特徵，提高了目標在相同距離、相同水質情況下的清晰度，增加了水下雷射探測距離。
而普通意義上的成像則是建立在測量和記錄被測物體所反射回來光的強度。在雷射水下探測系統中，就是通過如ICCT(Intensified CCD)攝像機，運用距離選通技術，記錄下目標靶所反射回來的雷射強度。也就是說，圖像上每一個點的灰度大小對應的是該點所能反射的照明雷射的光強。由於目標上各點的反射強度不一樣，所反射的雷射強度也就不一樣，反映在目標圖像上是以不同的灰度級表示，這種成像系統簡稱為普通成像系統。因為這種系統並不不測量雷射在傳播當中經過水體散射後的偏振情況，也就忽略了偏振光在散射介質中成像時所起的作用。
在這種普通成像系統中，實際上感光器件所獲得的雷射強度也是由偏振光所組成的。因為感光器件所獲得的雷射總光強度
與PS圖像不同的是，此時兩個正交方向上兩個偏振軸的選取就不是任意的。因為PD圖像的質量將與此有關，這兩個軸的選取將關係到PD圖像系統是否可以通過雷射的偏振特性把背景的偏振光降低到最小值，從而提高水下目標成像的質量。也可以通過目標偏振光的特性，提高對目標特徵的識別。
2.在醫學上的診斷應用
近年來，高散射介質中(尤其在生物組織中)光輸運問題被越來越廣泛和深入的研究。在生物醫學領域，大部分生物組織對於600-1300nm波段的光都呈高散射低吸收，類似於混濁介質。並且該波段的光對生物組織沒有電離和輻射等危害作用，非常適用於人體組織的無損檢測和成像。因此研究混濁介質中光的散射成像也成了生物光學的熱點。高散射介質中的光學成像主要包括漫射光層析成像，相干光層析成像，早到光子技術(各種門技術)，時間分辨光學成像、頻域光學成像、超聲調製技術，偏振調製技術等。其中的偏振成像技術是生物醫學成像中的一個重要分支。偏振成像技術具有價格低廉的優點，並且偏振檢測可排除組織界面的鏡面反射。偏振成像技術包括：偏振差異成像、偏振門技術、偏振靈敏光學相干層析術(Polarization-ensitive OCT)等。其中偏振差異成像利用介質和目標散射光偏振特性的差異來獲取目標物體的信息，去除散射光對成像的幹擾；偏振門技術利用偏振光在散射介質中傳播時其原偏振態在多次散射中散失而在弱散射中保持部分的偏振態這一特性來分離出非散射或弱散射的光；PS-OCT主要是建立在OCT和SLP(雷射掃描偏振計)的基礎上，採用偏振低相干幹涉的方法，採用介質的偏振特性作為成像因子。
偏振成像技術應用比較成熟的領域在於雷射水下探測（如水下成像應用）。根據懸浮粒子後向散射光的偏振度小於物體後向散射光的偏振度，以及粒子散射光和物體散射光偏振特性的差異，來減小懸浮微粒後向光散射的影響，能得到較好的圖像對比度。最近報導的線偏振差異成像表明偏振成像距離是傳統強度成像距離的2-3倍。基於偏振識別的技術對減少後向散射光和提高成像質量方面正成為一項非常有前景的技術[07]。通常把生物組織看成是一種充滿散射和吸收的懸浮粒子，並且散射係數大，吸收係數小。在雷射醫學的診斷和治療中，常需要對其中發生的病變如腫瘤等進行成像。從水下成像研究中得到啟發，由於正常組織和病變組織(腫瘤)在光學特性上有差異，如腫瘤的吸收係數比較大。若在偏振光入射的情況下，病變組織(成像目標物體)散射光和正常組織散射光的解偏度也具有差異，就能夠利用這樣的差異，來減小組織中強後向散射光的影響，使對生物組織中腫瘤的成像能夠獲得較好的對比度。
三、總結
偏振是光的三大特徵(幹涉，衍射，偏振)之一，對它的研究有重要的實際意義：如根據反射和透射光的偏振特性能獲得光介質的表面性質(如表面粗糙程度)；窺探出光介質的內部結構和材料特性；特別是對散射光偏振性質的研究有著更廣泛的應用前景和科學價值：根據介質散射和目標反射光的不同偏振特性可利用偏振技術排除粒子散射光的幹擾而提高水下圖象的清晰度；利用雷射需達分析雲層散射光的偏振特性能遙感大氣中各種氣溶膠的存在等價值。
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