Phân Tích Tính Chất Quang Học Của Vật Liệu Anisotropic Và Môi Trường Đục

• Tác giả: Pham, Thi-Thu-Hien
• Người hướng dẫn: Prof. Lo, Yu-Lung
• Trường học: National Cheng Kung University
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Phân Tích Tính Chất Quang Học Của Vật Liệu Anisotropic Và Môi Trường Đục Bằng Polarimeter Stokes
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Tainan

Mục lục chi tiết

• Acknowledgments
• 1. CHAPTER 1: Introduction
• 1.1. Linear birefringence and linear dichroism properties
• 1.2. Circular birefringence and Circular dichroism properties
• 1.3. Linear/circular depolarization properties
• 1.4. Purposes Of Study
• 2. CHAPTER 2: Birefringent, dichroic and depolarized materials
• 2.1. Linear birefringent materials
• 2.2. Linear dichroic materials
• 2.3. Circular birefringent materials
• 2.4. Circular dichroic materials
• 2.5. Linear / Circular depolarized materials
• 3. CHAPTER 3: Methodology
• 3.1. Stokes Vector and Mueller Matrix Terminology
• 3.2. Depolarizing Mueller matrix of scattering media
• 3.3. Mueller Matrices of LB, CB, LD, CD and depolarization
• 3.4. Analytical technique for extracting six effective optical parameters
• 3.5. Analytical technique for extracting nine effective optical parameters of turbid media
• 4. CHAPTER 4: Analytical simulations and error analysis
• 4.1. Sensitivity analysis of proposed analytical model
• 4.2. Resolution of extracted parameter values for samples with low LB, LD, CB and CD properties
• 4.3. Influence of the order of retarder and diattenuator
• 4.3.1. Influence of the order of [Ma], [Mr] and [Mn]
• 4.3.2. Influence of the order of retarder and diattenuator
• 5. CHAPTER 5: Demonstration with the other research group
• 5.1. The proposed study method
• 5.2. Polar decomposition method (Lu and Chipman)
• 5.3. The differential Mueller matrix method
• 5.4. The pseudopolar decomposition method
• 6. CHAPTER 6: Experimental Setup
• 6.1. Measurement of six parameters (LB/CB and LD/CD)
• 6.2. Measurement of nine parameters (LB/CB, LD/CD and depolarization)
• 6.3. Modify the optical system with optical fiber as lead-in/out media
• 7. CHAPTER 7: Experimental results
• 7.1. Experimental results of six parameters (LB/CB and LD/CD)
• 7.1.1. Quarter-wave plate (LB Only)
• 7.1.2. Half-wave plate and de-ionized water containing D-glucose (CB only)
• 7.2. Experimental results of nine parameters (LB/CB, LD/CD and depolarization)
• 7.2.1. Baked polarizer as a sample (LB and LD properties)
• 7.2.2. Suspended particles with containing D-glucose (CB, L-Dep and C-Dep properties)
• 7.2.3. Variation of D-glucose concentration
• 7.2.4. Calibration in distance between sample and detector
• 7.2.5. Depolarizer as a sample (L-Dep and C-Dep properties)
• 7.2.6. Composite sample comprising of a depolarizer and a quarter-wave plate (LB, L-Dep and C-Dep properties)
• 7.3. Design of polarization-insensitive optical fiber probe based on effective Optical Data
• 7.4. Construction of free-space condition using polarization controller with variable retarder and half-wave plate
• 7.4.1. Principle of free-space media construction using variable retarder and half-wave plate
• 7.4.2. Experimental verification of GA optimization procedure
• 7.4.3. Construction of free-space condition using polarization controller with two quarter-wave plates and one half-wave plate
• 7.4.4. Measurement of LB and LD sample parameters using common-path interferometer with polarization-insensitive fiber probe
• 8. CHAPTER 8: Conclusions and Discussions
• 8.1. Conclusions and Discussions
• References
• List of Figures
• List of Tables

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Phân Tích Vật Liệu Anisotropic Bằng Polarimeter

Phân tích tính chất quang học của vật liệu anisotropic và môi trường đục là một lĩnh vực quan trọng trong nhiều ngành khoa học và kỹ thuật. Các vật liệu anisotropic, với tính chất quang học thay đổi theo hướng, đóng vai trò then chốt trong các ứng dụng như màn hình tinh thể lỏng, thiết bị quang tử và cảm biến sinh học. Môi trường đục, chẳng hạn như mô sinh học, gây ra tán xạ ánh sáng mạnh, làm phức tạp việc phân tích tính chất quang học. Polarimeter Stokes là một công cụ mạnh mẽ để đo lường và phân tích sự thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng khi nó tương tác với vật liệu, cung cấp thông tin chi tiết về birefringence, dichroism và depolarization. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc nghiên cứu các mẫu phức tạp, nơi các kỹ thuật khác gặp khó khăn. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển và ứng dụng các kỹ thuật polarimetry tiên tiến để đặc trưng hóa các tính chất quang học của vật liệu anisotropic và môi trường đục.

1.1. Ứng Dụng Của Polarimeter Stokes Trong Nghiên Cứu Vật Liệu

Polarimeter Stokes được sử dụng rộng rãi để đặc trưng hóa các tính chất quang học của vật liệu, bao gồm cả birefringence, dichroism và depolarization. Trong nghiên cứu vật liệu anisotropic, polarimeter Stokes cho phép xác định các trục quang học và độ lớn của birefringence. Đối với môi trường đục, polarimeter Stokes có thể đo lường mức độ depolarization và tán xạ ánh sáng, cung cấp thông tin về cấu trúc vi mô của môi trường. Các ứng dụng bao gồm kiểm tra chất lượng vật liệu, phân tích thành phần và giám sát quá trình sản xuất. Polarimetry cũng đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng y sinh, chẳng hạn như chẩn đoán hình ảnh và theo dõi điều trị.

1.2. Giới Hạn Của Các Phương Pháp Phân Tích Truyền Thống

Các phương pháp phân tích tính chất quang học truyền thống thường gặp khó khăn khi xử lý các mẫu phức tạp, chẳng hạn như vật liệu anisotropic có độ birefringence cao hoặc môi trường đục có tán xạ ánh sáng mạnh. Các kỹ thuật như ellipsometry và interferometry có thể bị hạn chế bởi độ nhạy và độ chính xác khi đo lường các mẫu có depolarization đáng kể. Ngoài ra, việc phân tích các mẫu không đồng nhất hoặc có cấu trúc phức tạp đòi hỏi các phương pháp đo lường và xử lý dữ liệu tiên tiến hơn. Polarimeter Stokes cung cấp một giải pháp thay thế mạnh mẽ, cho phép đo lường đầy đủ các tính chất phân cực của ánh sáng và phân tích các mẫu phức tạp một cách hiệu quả.

II. Thách Thức Trong Phân Tích Vật Liệu Anisotropic Và Môi Trường

Việc phân tích tính chất quang học của vật liệu anisotropic và môi trường đục đặt ra nhiều thách thức đáng kể. Vật liệu anisotropic có tính chất quang học thay đổi theo hướng, đòi hỏi các phương pháp đo lường và phân tích có khả năng xác định chính xác các trục quang học và độ lớn của birefringence. Môi trường đục gây ra tán xạ ánh sáng mạnh, làm giảm độ tương phản và độ phân giải của hình ảnh, đồng thời làm phức tạp việc phân tích tính chất phân cực. Ngoài ra, các mẫu thực tế thường có cả birefringence, dichroism và depolarization, đòi hỏi các phương pháp phân tích có khả năng phân tách và định lượng các tính chất này một cách chính xác. Việc phát triển các kỹ thuật polarimetry tiên tiến để vượt qua những thách thức này là rất quan trọng để mở rộng ứng dụng của polarimetry trong nhiều lĩnh vực.

2.1. Ảnh Hưởng Của Tán Xạ Ánh Sáng Trong Môi Trường Đục

Tán xạ ánh sáng là một hiện tượng phổ biến trong môi trường đục, gây ra sự thay đổi hướng và phân cực của ánh sáng khi nó truyền qua môi trường. Tán xạ ánh sáng làm giảm độ tương phản và độ phân giải của hình ảnh, đồng thời làm phức tạp việc phân tích tính chất phân cực. Mức độ tán xạ ánh sáng phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và nồng độ của các hạt tán xạ trong môi trường. Các phương pháp polarimetry tiên tiến cần phải có khả năng giảm thiểu ảnh hưởng của tán xạ ánh sáng để đảm bảo độ chính xác của các phép đo. Các kỹ thuật như time-resolved polarimetry và coherence-gated polarimetry có thể được sử dụng để loại bỏ ánh sáng tán xạ và cải thiện độ tương phản của hình ảnh.

2.2. Phân Tách Birefringence Dichroism Và Depolarization

Trong nhiều mẫu thực tế, birefringence, dichroism và depolarization có thể cùng tồn tại, làm phức tạp việc phân tích tính chất quang học. Birefringence gây ra sự thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng do sự khác biệt về chiết suất theo các hướng khác nhau. Dichroism gây ra sự hấp thụ ánh sáng khác nhau theo các hướng khác nhau. Depolarization gây ra sự giảm độ phân cực của ánh sáng do tán xạ hoặc các hiệu ứng khác. Các phương pháp polarimetry tiên tiến cần phải có khả năng phân tách và định lượng các tính chất này một cách chính xác để cung cấp thông tin đầy đủ về cấu trúc và thành phần của mẫu. Các kỹ thuật như Mueller matrix polarimetry và Stokes polarimetry có thể được sử dụng để phân tích đầy đủ các tính chất phân cực của ánh sáng và phân tách các hiệu ứng birefringence, dichroism và depolarization.

III. Phương Pháp Polarimeter Stokes Giải Quyết Bài Toán Anisotropic

Polarimeter Stokes là một công cụ mạnh mẽ để đo lường và phân tích sự thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng khi nó tương tác với vật liệu. Polarimeter Stokes đo bốn tham số Stokes, mô tả đầy đủ trạng thái phân cực của ánh sáng. Từ các tham số Stokes, có thể tính toán các tham số quang học quan trọng của vật liệu, bao gồm birefringence, dichroism và depolarization. Polarimeter Stokes có thể được sử dụng để phân tích cả vật liệu anisotropic và môi trường đục, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và thành phần của chúng. Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong việc nghiên cứu các mẫu phức tạp, nơi các kỹ thuật khác gặp khó khăn. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển và ứng dụng các kỹ thuật polarimetry tiên tiến để đặc trưng hóa các tính chất quang học của vật liệu anisotropic và môi trường đục.

3.1. Đo Lường Các Tham Số Stokes Để Phân Tích Vật Liệu

Các tham số Stokes là một tập hợp bốn số mô tả đầy đủ trạng thái phân cực của ánh sáng. Tham số S0 biểu thị tổng cường độ ánh sáng, S1 biểu thị sự khác biệt giữa cường độ ánh sáng phân cực tuyến tính theo hướng ngang và hướng dọc, S2 biểu thị sự khác biệt giữa cường độ ánh sáng phân cực tuyến tính theo hướng +45 độ và -45 độ, và S3 biểu thị sự khác biệt giữa cường độ ánh sáng phân cực tròn phải và phân cực tròn trái. Polarimeter Stokes đo các tham số Stokes bằng cách sử dụng một loạt các bộ phân cực và bộ trễ. Từ các tham số Stokes đo được, có thể tính toán các tham số quang học quan trọng của vật liệu, bao gồm birefringence, dichroism và depolarization.

3.2. Phân Tích Ma Trận Mueller Từ Dữ Liệu Polarimeter Stokes

Ma trận Mueller là một ma trận 4x4 mô tả sự thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng khi nó tương tác với một vật liệu. Ma trận Mueller có thể được tính toán từ các tham số Stokes đo được bằng polarimeter Stokes. Ma trận Mueller cung cấp thông tin đầy đủ về các tính chất quang học của vật liệu, bao gồm birefringence, dichroism và depolarization. Phân tích ma trận Mueller cho phép xác định các trục quang học, độ lớn của birefringence, độ hấp thụ dichroic và mức độ depolarization. Các phương pháp phân tích ma trận Mueller tiên tiến có thể được sử dụng để phân tách và định lượng các tính chất này một cách chính xác.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Đo Tính Chất Quang Học Mẫu Sinh Học

Một ứng dụng quan trọng của polarimeter Stokes là trong việc đo lường tính chất quang học của các mẫu sinh học. Mô sinh học thường là môi trường đục và anisotropic, gây ra tán xạ ánh sáng mạnh và birefringence. Polarimeter Stokes có thể được sử dụng để đo lường các tính chất phân cực của ánh sáng khi nó truyền qua mô, cung cấp thông tin về cấu trúc vi mô và thành phần của mô. Các ứng dụng bao gồm chẩn đoán hình ảnh, theo dõi điều trị và nghiên cứu sinh học. Ví dụ, polarimetry có thể được sử dụng để phát hiện các thay đổi trong cấu trúc collagen của mô, có thể là dấu hiệu của bệnh ung thư hoặc các bệnh khác. Nghiên cứu này trình bày các kết quả thực nghiệm về việc đo lường tính chất quang học của các mẫu sinh học khác nhau bằng polarimeter Stokes.

4.1. Phân Tích Birefringence Trong Mô Để Chẩn Đoán Bệnh

Birefringence là một tính chất quang học quan trọng của mô, phản ánh sự sắp xếp có trật tự của các thành phần cấu trúc như collagen và sợi cơ. Các thay đổi trong birefringence của mô có thể là dấu hiệu của bệnh tật. Ví dụ, sự gia tăng birefringence trong mô vú có thể là dấu hiệu của ung thư vú. Polarimeter Stokes có thể được sử dụng để đo lường birefringence của mô một cách định lượng, cung cấp thông tin hữu ích cho chẩn đoán bệnh. Các kỹ thuật polarimetry tiên tiến có thể được sử dụng để tạo ra hình ảnh birefringence có độ phân giải cao, cho phép phát hiện các thay đổi nhỏ trong cấu trúc mô.

4.2. Theo Dõi Thay Đổi Tính Chất Quang Học Trong Quá Trình Điều Trị

Polarimeter Stokes có thể được sử dụng để theo dõi các thay đổi trong tính chất quang học của mô trong quá trình điều trị. Ví dụ, trong quá trình xạ trị ung thư, polarimetry có thể được sử dụng để theo dõi sự thay đổi trong cấu trúc collagen của mô, có thể là dấu hiệu của đáp ứng điều trị. Polarimeter Stokes cũng có thể được sử dụng để theo dõi sự thay đổi trong lưu lượng máu và oxy hóa mô trong quá trình điều trị. Các phép đo polarimetry có thể cung cấp thông tin thời gian thực về hiệu quả của điều trị, cho phép điều chỉnh kế hoạch điều trị để tối ưu hóa kết quả.

V. Kết Luận Tiềm Năng Phát Triển Của Polarimeter Stokes

Nghiên cứu này đã trình bày một tổng quan về các ứng dụng của polarimeter Stokes trong việc phân tích tính chất quang học của vật liệu anisotropic và môi trường đục. Polarimeter Stokes là một công cụ mạnh mẽ để đo lường và phân tích sự thay đổi trạng thái phân cực của ánh sáng, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc và thành phần của vật liệu. Các kỹ thuật polarimetry tiên tiến có thể được sử dụng để phân tách và định lượng các tính chất quang học quan trọng, bao gồm birefringence, dichroism và depolarization. Các ứng dụng của polarimeter Stokes rất đa dạng, bao gồm kiểm tra chất lượng vật liệu, phân tích thành phần, giám sát quá trình sản xuất và chẩn đoán hình ảnh y sinh. Nghiên cứu này kết luận rằng polarimeter Stokes có tiềm năng phát triển lớn trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật.

5.1. Hướng Nghiên Cứu Mới Về Polarimetry Độ Phân Giải Cao

Một hướng nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực polarimetry là phát triển các kỹ thuật polarimetry độ phân giải cao. Các kỹ thuật này cho phép tạo ra hình ảnh phân cực có độ phân giải không gian và thời gian cao, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc vi mô và động lực học của vật liệu. Các ứng dụng bao gồm nghiên cứu cấu trúc tế bào, theo dõi quá trình phát triển phôi và giám sát các phản ứng hóa học. Các kỹ thuật polarimetry độ phân giải cao đòi hỏi các nguồn sáng có độ phân cực cao, các bộ phân cực và bộ trễ có độ chính xác cao và các thuật toán xử lý dữ liệu tiên tiến.

5.2. Tích Hợp Polarimeter Stokes Với Các Kỹ Thuật Hình Ảnh Khác

Một hướng nghiên cứu khác là tích hợp polarimeter Stokes với các kỹ thuật hình ảnh khác, chẳng hạn như microscopy và tomography. Sự tích hợp này cho phép thu thập thông tin phân cực cùng với thông tin cấu trúc và chức năng, cung cấp một cái nhìn toàn diện về vật liệu. Ví dụ, polarimetry có thể được tích hợp với optical coherence tomography (OCT) để tạo ra hình ảnh OCT phân cực, cung cấp thông tin về birefringence của mô. Sự tích hợp polarimeter Stokes với các kỹ thuật hình ảnh khác có tiềm năng mở rộng ứng dụng của polarimetry trong nhiều lĩnh vực.