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用于工业材料分析的偏振敏感光相干断层扫描成像术 摘要 光相干断层扫描成像（OCT）是针对大多高散射性物质的，非接触式，非侵入型检查的一种独特技术。在光相干断层扫描成像中引进偏振状态分析能对工业材料进行研究观察。偏振敏感光相干断层扫描成像（PS-OCT）不仅能检测到物质内部结构，还能探测局部光学各向异性的特点。本文介绍了光相干断层扫描成像（OCT）的原理及其改进装置：偏振敏感光相干断层成像（PS-OCT），其中主要介绍了PS-OCT的实验装置及其在物质内层结构检测中的应用，对透明的和高散射性的物质的检测结果也有介绍。 关键词：光相干断层扫描成像（OCT ）； 偏振敏感光相干断层扫描成像（PS-OCT）； 偏振测定法； 工业材料检测 引言 关相干断层扫描成像（OCT）是一种对物质内部结构进行高效，高敏感性检测的新的光学技术。利用OCT，我们可以对大量生物和工业材料进行非接触式，非侵入性检测。如今，OCT广泛应用于医学，特别是眼科学，皮肤医学，口腔医学，内窥镜检查学。但OCT的优点使其不仅能应用于医疗方面，还能应用于工业材料检测。早期关于OCT的研究主要集中于时域低相干光干涉测量。随后，一些新的能在时域或频域进行干涉信号处理的OCT技术发展形成了。依据这些技术的应用，可以将其分为时域光相干断层扫描成像（TD-OCT），多普勒光相干断层扫描成像（D-OCT），和光谱域方法如傅立叶域光相干断层扫描成像（FD-OCT）。目前，偏振敏感型（PS-OCT）主要用于检测材料表下结构的光各向异性的局部差异。对材料各向异性和双折射的检测需要用已知偏振状态的光来做探针探测另一束光，测量其通过样品时状态的改变。这种测量方法对透明物质来说相对简单，而对如生物组织，纸，瓷器，防腐层等高度散射的材料，探针的光束需要经过多次散射过程，偏振状态也多次改变，最终，部分将去极化。这样，对于高度散射介质的双折射的测量可以用PS-OCT。本文介绍了一种设计用来测量高散射性材料的先进配置的PS-OCT测量系统。 我们的研究集中于将PS-OCT系统应用于红外探测器来对LSFO瓷器类在结构上的局部光各向异性的偏振测量。LSFO瓷器由几组大小和纹理在加工过程中固定的微晶组成，各微晶具有和晶体相似的规则结构，并有光各向异性。微晶的大小，纹理和密度大小决定了瓷器样品的光电和铁电特征。对于瓷器局部各向异性变化的检测为我们提供了诸如可用于瓷器质量及LSFO瓷器的工业制造加工过程评估的微晶密度和颗粒大小等重要信息。我们研究组制造的LSFO瓷器的结构，包含直径5——20微米的微晶，（已经光学显微技术验证），这些微晶的尺寸大小在改进的PS-OCT系统的有效检测范围之内。 OCT的操作原理 2．1 无偏振的敏感装置 OCT的操作原理是以两个短时相干的光束的干涉为基础的，这种干涉可以是通过迈克逊或马赫-曾德耳干涉仪产生。图1.[2]是具迈克逊干涉仪的标准OCT系统。 宽带光源发射的低相干光被分束器分成两束，一束样品光穿透样品，另一束光射到移动的镜子。从样品反射回来的光与从镜子反射回来的光叠加干涉。只有当干涉仪臂上的光程差不比光源的相干长度大才能检测到干涉带。干涉信号可表示为：[1，12-14]： 其中，Id是光干涉信号强度，IDUT是从测量臂上收到的光信号强度，IREF是从参考臂上收到的光信号强度，是光源相干程度，是从测量臂和参考臂收到光束的时间延迟. 是干涉光束的相差，vo是发射光的主要频率。 记录的干涉图Id包含重要信息，如关于从样品反射回来的光强度IDUT和干涉光束间的时间延迟。延迟的测量可使我们发现并定位检测样品中结构的不均一性。这些结构上的不均一性是背向散射光形成的原因。 测量参数，如OCT的横向轴和深度的分辨率，很大程度上取决于组成仪器的光学元件的质量和光源参数。深度的分辨率是以由中心光波长（λ0），光谱宽度（△λ）和光源的光谱强度分布图三者决定的光相干长度为基础的。这种关系可表示如下[12-14]： 其中，△z 是深度测量的精确度，ng是组折射系数, λ0是发射光中心波长, △λ是发射光光谱宽度，k是由光源光谱强度分布决定的常数，k≈0.44时是高斯中心分布谱，k≈1时光谱是矩形分布。[1，30] 所以，通过利用具高斯分布光谱的宽带光源能得到最大的纵向分辨率。 横向分辨率由光学元件集中在DUT上的测量光束的数值口径NA决定。提高NA的值可改进横向分辨率，关系如下表：[12-14]： 其中， △x是横向测量分辨率，λ0是发射光中心波长，NA是数值口径。 NA决定了测量头的纵向深度，这限制了纵向值的最大范围。因此，横向分辨率是由扫描深度范围和横向测量准确性共同决定的。 2．2 偏振敏感装置 组成 OCT系统的光学偏振元件（如图 2 中的：相差盘，偏振分束器）可将基本的OCT