用于宝石鉴定与测量的偏振成像技术

《Scientific Reports》：Polarization imaging for gemstone identification and metrology

　　

摘要

本研究采用偏振光线追踪技术以及全斯托克斯偏振成像方法，通过透射、反射和侧视三种配置，分析了四种亮色圆形切割宝石的偏振特性：立方氧化锆、天然钻石、化学气相沉积合成钻石和莫桑石。光线追踪模拟为理想的光面相互作用提供了理论基准，而DoLP、AoLP和DoCP的实验测量则揭示了不同的光学行为。各向同性的立方氧化锆呈现出由几何结构决定的对称偏振模式，而双折射性的莫桑石则表现出由其光轴决定的强烈线性偏振响应。尽管天然钻石与CVD合成钻石的化学成分相同，但两者在偏振特性上存在差异。本研究中的天然钻石呈现出更对称的偏振模式，且在透射状态下有明显的次级DoLP峰值（0.46），而CVD合成钻石的AoLP分布更为零散，DoCP分布也不对称，这可能与合成过程中产生的应力诱导异常双折射有关。这些趋势表明，所分析样本的偏振特征可与其生长来源相关联。从偏振参数的直方图来看，每种宝石的对称性特征更加明显。总体而言，我们的研究结果表明，全斯托克斯偏振成像作为一种无损技术，可用于探究宝石的光学结构，有望在宝石鉴定和质量评估领域得到应用。天然钻石与CVD合成钻石之间的差异为进一步研究基于偏振特性的表征方法提供了动力。