[论文解读] Revealing complex optical phenomena through vectorial metrics

Chao He, Jintao Chang+18 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2021

Advanced Fluorescence Microscopy Techniques被引用 4

一句话总结

本文提出了一种从穆勒矩阵导出的矢量度量方法，以揭示复杂系统中隐藏的光学特性，实现对自旋霍尔效应光现象及激光写入波导结构特征的直接推断，并应用于组织的快速病理诊断。该方法利用度量信息中的非对称性，从全面的偏振测量数据中提取可解释的特征。

ABSTRACT

Advances in vectorial polarisation-resolved imaging are bringing new capabilities to applications ranging from fundamental physics through to clinical diagnosis. Imaging polarimetry requires determination of the Mueller matrix (MM) at every point, providing a complete description of an object's vectorial properties. Despite forming a comprehensive representation, the MM does not usually provide easily-interpretable information about the object's internal structure. Certain simpler vectorial metrics are derived from subsets of the MM elements. These metrics permit extraction of signatures that provide direct indicators of hidden optical properties of complex systems, while featuring an intriguing asymmetry about what information can or cannot be inferred via these metrics. We harness such characteristics to reveal the spin-Hall effect of light, infer microscopic structure within laser-written photonic waveguides, and conduct rapid pathological diagnosis through analysis of healthy and cancerous tissue. This provides new insight for the broader usage of such asymmetric inferred vectorial information.

研究动机与目标

• 克服完整穆勒矩阵在描述复杂光学系统时解释性有限的问题。
• 开发矢量度量，从穆勒矩阵元素的子集中提取有意义且可解释的特征。
• 利用这些度量中的固有非对称性，推断原本隐藏的光学特性。
• 展示在检测光的自旋霍尔效应和分析光子波导中微结构方面的实际应用。
• 通过偏振特征实现对健康与癌变组织的快速、无标记病理诊断。

提出的方法

• 从穆勒矩阵元素的特定子集推导矢量度量，以提取方向性和偏振依赖的光学响应。
• 利用度量推断中的固有非对称性，区分样品中光学活性与非活性特征。
• 将这些度量应用于来自多样化系统的实验偏振测量数据：超表面、激光写入波导以及生物组织。
• 将度量响应映射到物理现象，如自旋-轨道耦合与结构双折射。
• 通过与理论模型比较及在已知光学系统上的对照实验验证结果。
• 建立一种用于临床和材料科学背景下快速、实时分析偏振数据的框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过从穆勒矩阵导出的矢量度量揭示完整矩阵中不直接可见的隐藏光学现象？
• RQ2 不同矢量度量中的非对称信息内容可提供哪些物理洞察？
• RQ3 这些度量能否检测复杂光学介质中光的自旋霍尔效应？
• RQ4 矢量度量在多大程度上可分辨激光写入光子波导中的亚波长结构特征？
• RQ5 这些度量能否实现对健康与癌变组织在病理诊断中快速、准确的区分？

主要发现

• 矢量度量通过检测结构化超表面中横向自旋-轨道耦合，成功揭示了光的自旋霍尔效应。
• 该度量实现了对激光写入光子波导内部微结构特征的非侵入式、高分辨率成像。
• 识别出可区分健康与癌变组织病理样本的特征性度量特征。
• 该方法实现了无需外源标记的快速诊断，展现出临床应用潜力。
• 非对称的度量行为为通过标准穆勒矩阵分析无法获取的光学特性提供了独特访问途径。
• 该方法在多样化光学系统中表现出鲁棒性，涵盖纳米光子器件到生物组织。