远程多级与远程快照弥勒矩阵测量研究

The measurement of Mueller matrix provides one of the most promising solutions for the exploration of spatial material, characterization of nanomaterials, biomedical diagnostics. The extension of its application range and scenarios is a hot-spot in the area of Muller matrix measurement. The project proposes a novel method to realize remote measurement of Mueller matrix. By employing differential modulation of the state of polarization (SOP), a nonlinear measurement matrix equation, which is immune to the influence of random polarization effect of long fiber, is raised. Solving the nonlinear equation with the system estimation theory, the Mueller matrix of remote sample can be measured. Basing on the proposed measurement theory, the project aims at the study of two novel Mueller matrix polarimeters: A remote multipoint Mueller matrix polarimeter by employing commercial liquid crystal (LC) wave-plates, which modulates SOP in time domain; and a remote snapshot Mueller matrix polarimeter by employing specially-fabricated spatial polarization modulation liquid crystal (SPM-LC) wave-plates, which modulate SOP in spatial domain. The project proposes to fabricate the SPM-LC wave-plates, by controlling the photo-alignment of LC molecules with UV mask exposure in multi-domain structure. The SPM-LC wave-plates will be customized with the optimal spatial SOP pattern for the snapshot Mueller matrix measurement. .Two innovative significances are included in the project: The theoretical model proposed for remote measurement of Mueller matrix, and the fabrication of SPM-LC wave-plates, which opened a way for optimizing optical systems with customized LC optical devices by employing the emerging LC nano-micro photo-alignment control technology. The implementation of the project will extend the Mueller matrix measurement technology to remote, on-line and fast-moving applications.

弥勒矩阵测量为太空物质探测、纳米材料以及生物医学领域提供了全新的研究方法。 拓展弥勒矩阵测量的应用范围、适用场景是其研究热点。项目在理论上提出通过差分偏振调制，建立起与输入偏振态无关的非线性测量方程，采用系统估值理论优化求解方程, 实现远程弥勒矩阵测量。基于提出的远程弥勒矩阵测量方法，项目将采用商用时域偏振态调制的液晶波片，进行远程多级弥勒矩阵的测量研究；研究液晶材料的分区多畴光取向控制技术，制备弥勒矩阵测量专用空间偏振态调制液晶波片，完成偏振态空间复用与分析解调，实现远程快照弥勒矩阵的测量研究。项目两项创新为：提出了差分偏振调制结合系统估值优化实现弥勒矩阵远程测量的理论方案；研究最新的液晶微纳分区光取向控制技术，制备弥勒矩阵快照测量的专用液晶光子器件，优化测量系统。项目的完成可实现远程、准分布、快速动态变化样品的弥勒矩阵测量。

弥勒偏振参数及成像测量能够实现对检测目标的组织形态、晶体结构、表面粗糙度、致密度、含水量等理化特征的融合感知，为太空物质探测、纳米材料以及生物医学领域提供了全新的研究方法。项目提出并完成了利用光纤延伸扩展实现远程快速弥勒偏振成像测量系统，对其中的关键技术进行了理论与实验研究。 主要研究工作包括：.一、.实现通过级联待测系统间的偏振态调制，建立级联被测系统的弥勒矩阵参数的非线性测量方程组，通过采用系统估值理论优化求解非线性方程组, 实现了远程多级弥勒参数的矩阵测量系统，基于该测量方法，我们可实现光纤系统中任意子系统的弥勒矩阵参数测量。 .二、.建立了实现基于液晶波片偏振态调制的正向透射与反向反射的弥勒矩阵参数成像测量系统，可以实现被测物外部结构特征以及内部偏振特征的快速测量。基于建立的弥勒矩阵成像系统，进行了光纤内部由于应力、微结构导致的偏振特性测量与表征；实现了对植物细胞微脱水变化的弥勒矩阵成像。.三、.针对远程延伸光纤偏振态的控制研究中，首次理论发现并实验验证了受激布里渊散射效应中的非线性偏振谱发散这一物理现象。该效应表明光纤中探测光偏振态会受到泵浦光偏振态的牵引，向着增益最大的偏振态方向演进，同时增益谱内不同频率的探测光偏振态受泵浦光偏振态的牵引方向不同，呈圆形发散。进行了基于偏振谱发散效应的相关研究，包括布里渊频移的偏振相关性、布里渊增益谱调制的理论与实验研究。.四、.针对不同光纤，包括理想单模光纤、随机低双折射的实际单模光纤、以及保偏光纤的SBS非线性偏振牵引效应进行了理论与实验研究。首次理论发现并实验验证了在保偏光纤线性双折射效应的作用下，保偏光纤中的SBS具有确定的轴向偏振牵引效应，并基于该轴向偏振牵引效应，实现了可应用于弥勒矩阵测量的偏振态正交切换的光纤激光器。