紅外偏振光治療儀偏振度測量方法研究

牛禮軍，王安意，唐征宇，遲玉剛

1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 研發(fā)一部，安徽 蚌埠 233000；2.蚌埠市第一人民醫(yī)院 a.骨科；b.影像科，安徽 蚌埠 233000

引言

紅外偏振光治療儀利用對人體透射效果最好的0.6～1.6 μm光譜范圍的線偏振光照射人體。線偏振光輸出功率達(dá)到2200 mW，對人體組織的有效作用深度超過5 cm，可以進(jìn)行神經(jīng)節(jié)、神經(jīng)干和神經(jīng)根的照射，從而賦予光療以全新的治療概念——神經(jīng)照射法。紅外偏振光治療儀作用于人體相應(yīng)的疼痛部位，有抑制神經(jīng)興奮、松弛肌肉、促進(jìn)活性物質(zhì)產(chǎn)生、加速致痛物質(zhì)的代謝與清理和調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定等作用[1]。紅外偏振光治療儀主要依靠光的偏振特性對人體產(chǎn)生影響，從而可以治療不同類型的疼痛[2-6]。目前，紅外偏振光治療儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于神經(jīng)內(nèi)科、疼痛科、康復(fù)理療科、外科、骨傷科、皮膚科等科室。紅外偏振光治療儀有B、C、D和SG四種類型的治療頭，分別用于治療不同的癥狀，要求四種治療頭輸出光的偏振度都大于等于95%。偏振度是衡量紅外偏振光治療儀治療性能的重要指標(biāo)。本文闡述了紅外偏振光治療儀輸出光偏振度的測量方法，并測得了各個治療頭的偏振度。

1 測量方法

偏振度測量方法有直接測量法和調(diào)制法兩大類[7-15]。直接測量法采用檢偏器，在不同的透射方向（通常為0°、60°、120°）測量入射光強(qiáng)，計算出目標(biāo)光的偏振度。該方法原理簡單，但受檢偏器的透過軸方向定位精度、測量偶然性誤差等因素的影響，測量精度一般在2%左右[16]。調(diào)制法利用光波的振幅、頻率和強(qiáng)度等信息，使他們按調(diào)制信號的規(guī)律變化。強(qiáng)度調(diào)制方法采用在光路中引入起偏、相位延遲或者機(jī)械旋轉(zhuǎn)以改變偏振方向的光學(xué)元件，通過測量調(diào)制信號求得斯托克斯參量。引入相位延遲光學(xué)元件的偏振度測量調(diào)制法的優(yōu)點(diǎn)是快速同步獲取目標(biāo)光譜和偏振信息，相對于直接測量法，測量精度有所提升；缺點(diǎn)是引入了偏振度測量的不確定度貢獻(xiàn)[17-19]。本文利用THORLABS公司的基于強(qiáng)度調(diào)制原理的偏振測量儀進(jìn)行偏振度測量。

光的偏振態(tài)可用斯托克斯矢量表示[20]。斯托克斯矢量包含4個元素，既S=[S0+S1+S2+S3]T，各元素均可用光強(qiáng)表示，能夠直接測量。利用斯托克斯矢量定義的偏振度表達(dá)為：

在大多數(shù)情形下，自然景物的反射光是部分偏振光，可看作是完全線偏振光和非偏振光的混合。根據(jù)研究數(shù)據(jù)，這類偏振光的斯托克斯矢量中，表征左旋和右旋偏振光強(qiáng)度差異的S3分量接近于0。偏振度定義可簡化為線偏振度的定義：

斯托克斯參量的測量方法一般采用光強(qiáng)調(diào)制法，在待測光路中引入起偏器和相位延遲器，并對它進(jìn)行調(diào)制，通過測量調(diào)制光強(qiáng)求得斯托克斯參量。，旋轉(zhuǎn)波片法測量斯托克斯矢量的原理圖如圖1所示。讓待測光依次通過一個勻速旋轉(zhuǎn)的1/4波片和一個線偏振片，波片的角速度為ω。

圖1 旋轉(zhuǎn)波片法原理圖

入射光斯托克斯矢量為S=[S0+S1+S2+S3]T，旋轉(zhuǎn)角度為θ時，1/4波片的穆勒矩陣為：

水平方向的線偏振片的穆勒矩陣為：

代入θ=ωt，上式可改寫為

其中

式(7)的形式為離散傅里葉級數(shù)的展開式，包括一個直流分量（A），一個2ω項（B），和兩個4ω項（C和D）。對I傅里葉分析可以得到系數(shù)計算式如下：

其中θ=ωt，于是可以通過式(8)和(9)求解斯托克斯矢量。

紅外偏振光治療儀采用0.6～1.6 μm的連續(xù)光譜照射人體。目前，連續(xù)光譜的偏振度測量還是一個難點(diǎn)，還沒有商業(yè)化的產(chǎn)品用于連續(xù)光譜的偏振度測量。本文所采用的紅外偏振光治療儀的偏振度測量方法如圖2所示。由于連續(xù)光譜的偏振度還不能測量，本文采用不同波長的激光窄帶濾光片模擬單色光，分別測量紅外偏振光治療儀在600、700、800 nm等波長處的偏振度。偏振態(tài)測試儀的測量頭可以接受?3.0 mm的自由空間準(zhǔn)直光束，要求入射光束為準(zhǔn)直的平行光。本文設(shè)計了自由空間準(zhǔn)直光路用于偏振度的測量。將紅外偏振光治療儀治療頭固定在光學(xué)平臺上，通過一個可調(diào)光闌把紅外偏振光治療儀發(fā)光面模擬成為一個點(diǎn)光源，光束通過光闌后再通過一個準(zhǔn)直透鏡將光變成平行光，平行光通過激光窄帶濾光片模擬成為單色光，最后光線進(jìn)入偏振態(tài)測試儀測得紅外偏振光治療儀輸出光的偏振度。

圖2 偏振度測量示意圖

2 偏振度測量實驗及結(jié)果

偏振態(tài)測試儀選用THORLABS公司的PAX5710系列。該系列偏振測試儀采用旋轉(zhuǎn)波片的方法，測量準(zhǔn)直入射光的偏振態(tài)。該系列有三種型號可選，涉及可見光到近紅外波段。紅外偏振光治療儀的發(fā)光光譜恰好位于可見光及近紅外波段。偏振測量儀要求入射光必須為單色相干光，且光會在模塊內(nèi)終止。偏振態(tài)測量儀具有70 dB的高動態(tài)范圍，邦加球上方位角和橢偏度的準(zhǔn)確度為±0.25°。可變光闌選用THORLABS公司的撥桿控制的連續(xù)可變光闌，用來模擬點(diǎn)光源。準(zhǔn)直透鏡選用THORLABS公司的雙膠合消色差透鏡，用來模擬平行光。濾光片選用THORLABS公司的激光窄帶濾光片。

為了驗證窄帶濾光片出射光的光譜寬度，本文利用Gooch&Housego的雙單色儀OL750-M-D對濾光片的透過率進(jìn)行了測量，600、700和800 nm濾光片的透過率如圖3所示。由圖3可知，濾光片在通帶區(qū)域內(nèi)具有比較高的透過率。雖然利用濾光片模擬單色光的光譜寬度比激光器輸出光的光譜寬度要寬，但是利用窄帶濾光片產(chǎn)生的光也可認(rèn)為是單色光。

圖3 不同波長濾光片的透過率測量曲線

按照紅外偏振光治療儀輸出光的偏振度測量原理，搭建的測量系統(tǒng)如圖4所示。按照此方法對紅外偏振光治療儀進(jìn)行偏振度測量，以C型治療頭為例測量治療頭在600、700和800 nm的偏振度，測得結(jié)果如圖5所示。紅外偏振光治療儀的C型治療頭在600、700和800 nm處的偏振度分別是95.6%、99.3%和96.6%。

圖4 偏振度測量系統(tǒng)

圖5 C型治療頭在不同波長處的偏振度

按照同樣的方法對紅外偏振光治療儀的其他治療頭的輸出光的偏振度進(jìn)行測量，測得結(jié)果如表1所示。

表1 各治療頭偏振度測量結(jié)果（%）

在偏振度的測量過程中，有諸多因素影響偏振度測量。偏振態(tài)測試儀要求入射光是單色平行光，入射光束的平行度和單色性都會影響偏振度的測量。而本文采用模擬點(diǎn)光源，最后由準(zhǔn)直透鏡形成平行光的方法進(jìn)行偏振度測量。點(diǎn)光源不是理想的點(diǎn)光源，由于裝調(diào)誤差準(zhǔn)直透鏡的出射光也不是嚴(yán)格的平行光，這些因素都會對偏振度測量造成影響。運(yùn)用激光窄帶濾光片模擬平行光，而濾光片的中心波長有±2 nm的誤差，半帶寬（10±2）nm，所以出射光不是嚴(yán)格的單色光，這樣也會對偏振度的測量造成一定的影響。偏振態(tài)測試儀本身也會帶來一定的測量誤差。偏振態(tài)測試儀主要由1/4波片、檢偏器和探測器組成，波片的相位延遲量偏差，快軸初始定位角度偏差與檢偏器透光軸角度偏差是影響基于旋轉(zhuǎn)波片法的斯托克斯參量檢測的主要影響因子。在偏振度測量過程中應(yīng)盡量減少測量誤差提高偏振度測量的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

紅外偏振光治療儀要求每個治療頭輸出光的偏振度都大于等于95%，其偏振度測量是檢驗紅外偏光治療儀性能優(yōu)劣的關(guān)鍵步驟。本文通過對偏振度測量原理的闡述，模擬單色平行光，搭建測量光路，測得了紅外偏振光治療儀各個治療頭輸出光的偏振度，為紅外偏振光治療儀的偏振度測量提供參考。但是在測量過程中還存在很多影響測量結(jié)果的因素，在以后的工作中可以改進(jìn)測量方法，提高偏振度測量精度。