相较于传统的非偏振光学探测方法，Stokes-Mueller矩阵成像技术可反映出丰富的生物组织微观结构信息，被广泛应用于组织病变检测。本文探究了生物组织结构的庞加莱球表征方法，采用Mueller矩阵极化分解方法提取了可以表征介质基本偏振特性的3个表征向量——延迟向量(R)、二向色性向量(D)、偏振向量(P)，并将其中的P向量和D向量绘制在庞加莱球上，以样本点聚集中心距为评价指标对比向量差异。以骨骼肌组织和纤维结缔组织的细胞核和纤维结构为研究对象，探究了同一生物组织不同结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律，进一步对比分析了不同生物组织相似结构的表征向量在庞加莱球上的分布规律。研究发现，对于两种生物组织中相似结构的P向量和D向量的表征差异，纤维结缔组织优于骨骼肌组织8%以上。对于单一生物组织中的两种结构的表征差异，P向量优于D向量19.7%以上。实验结果表明，庞加莱球方法可以用于表征生物组织的不同结构，并作为生物组织表征的潜在技术手段。

作为光的一个基本属性,偏振态提供的自由度对光场调控具有重要作用。具有空间结构偏振态分布的矢量光场因其具有不同于传统标量光场的独特性质而被应用于诸多领域,但矢量光场的早期研究主要集中于柱对称的局域线偏振矢量光场。近年来,偏振态分布更加丰富的新型矢量光场逐渐得到关注,这些新型矢量光场的出现丰富了矢量光场的种类并提供了新的调控自由度,被应用于焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光信息传输等领域。综述了近年来出现的新型矢量光场,包括柱坐标系中的杂化偏振矢量光场、庞加莱球相关的矢量光场、阵列矢量光场、多奇点矢量光场和其他非柱对称的矢量光场,介绍了其进展、设计方案、实验生成、性质和相关应用。

提出了基于邦加球轨迹的穆勒矩阵测量法,将极分解得到的矩阵与其在邦加球上的轨迹联系起来,通过输入光和输出光的偏振态在邦加球上的位置关系,直接获取非消偏元件的双折射矩阵和二向色性矩阵。结果表明:基于所提方法,偏振控制系统只需要一个可旋转起偏器,在测试前后提供两个确定的偏振态,即可直接获得光纤器件的双折射矩阵和二向色性矩阵,且在测量过程中无需改变待测光纤的状态。

提出了一种基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)产生高阶庞加莱球上任意矢量涡旋光束的方法。利用半波片和偏振分光棱镜组合调节支路光束振幅, 搭配常用的两个半波片组调节合成光束的相位, 进而生成并变换矢量涡旋光束, 优化了传统的实验光路, 降低了光束能量损耗, 利用1/4波片实现不同高阶庞加莱球上矢量涡旋光束的变换。与现有的基于马赫-曾德尔干涉仪矢量光束生成方法比较, 该光路结构简单, 光束转换效率提高。在理论上, 通过琼斯矩阵计算, 在拓扑荷数为m=±1高阶庞加莱球上得到了各矢量涡旋光束的偏振态。根据该方法搭建了一套矢量涡旋光束产生的实验光路, 实验结果与理论分析一致, 证明了这种方法的实用性。

为了改善可见光图像质量, 提高对隐藏在自然背景中人造目标的探测率, 采用了基于偏振成像的可见光图像增强方法, 很好地凸显出人造目标, 提供更多的细节与纹理信息。利用偏振成像方式获取偏振度、偏振角和椭率角图像, 对多维偏振图像中的像素点在邦加球内进行聚类得到偏振特征图像, 运用双树复小波对光强图像和偏振特征图像进行分解, 低频子带采用主成分分析法, 高频子带选用区域方差特征匹配的融合策略, 得到增强图像。进行了户外实验, 并理论分析得到了各个图像的性能指标数据。结果表明,增强后的图像较原图像具有更加丰富的图像细节与偏振目标信息, 该方法有效可行,对目标识别与探测具有一定意义。

基于周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体的准相位匹配线性电光效应,利用邦加球理论,晶体 在不同占空比和温度下,探索了输出激光偏振态随外加电场的演变规律。研究结果发现,激光偏振的演变对外加电场E0、 晶体占空比D和温度T0非常敏感;若T0为273 K, D为0.25、0.5和0.75, 随着E0的增加,输出偏振态成周期性演变; 当D为0.5,且T0为263 K、293 K和313 K时,输出偏振态的演变表现为无规则性。合理选择一定的外加电场、 占空比和温度,可以实现任意偏振光。这些结果有助于PPLN偏振控制器的优化设计。

分析了全光纤电流互感器(AFOCT)光纤元件的双折射来源和影响,针对其应力加载特征,提出一种适用于系统的光纤双折射参数测量方法.测量基于研究双折射对偏振态的调制情况,在邦加球上分析传输光偏振态随不同光程的演化轨迹,可获得待测光纤椭圆双折射参数,相对误差在2.85%以内.验证实验说明基于测量结果的变比估计相对偏差1.08%.该方法准确度优于传统方法,装置结构简单易于实现.由传感光纤双折射测量结果可推导AFOCT系统的变比,也可作为温度、振动补偿实验的依据.本方法可作为设计制作AFOCT系统过程中的一个有力的参考.

在前期水面溢油偏振光检测方法的基础上，分析了液面反射光偏振状态在邦加球中的变化，给出了这种测量方法的物理分析。该方法以线偏振光作为入射光源，在入射光的布儒斯特角附近，利用反射光偏振状态在邦加球中轨迹的不同，达到检测不同种类油、水以及不同厚度油膜的目的。进一步以650,850,1064,1310,1550 nm 可见/近红外波长线偏振光以及不同油种做了实验，实验结果与物理分析一致。

水面溢油在反射与辐射过程中，表现出与其自身性质相关的偏振特性，这种与水面溢油性质相关的偏振特性可用 Stokes矢量表示。以 650 nm的线偏振激光为光源，在实验室用偏振分析仪测量了水面与油面反射时的 stokes矢量。通过调节线偏振光的振动面与入射面的角度，实验发现水面与油面的 stokes矢量在邦加球中的轨迹有明显的区别，由此可以实现对水面溢油的检测。

具有较大非平衡长度的光纤Mach－Zehnder干涉仪解调DFB激光器传感信号时，存在着偏振衰落现象，为了解决这一问题，提出了一种对干涉仪输入光偏振态进行反馈控制的方案，论述了具有反馈控制功能的干涉仪信号解调系统，推导了反馈控制系统的控制信号与干涉仪条纹可见度之间的关系式，分析了该系统在不同光信号输入情况下的工作状况，从理论上证明了利用该系统可在一定条件下使干涉仪的条纹可见度稳定在1附近，论证了该方案消除干涉仪解调传感信号时偏振衰落现象的可行性。