標(biāo)量和矢量部分相干光束的理論及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、激光束的傳輸和變換是激光物理和激光應(yīng)用研究的重要基礎(chǔ)課題。近幾十年的研究發(fā)現(xiàn),在某些領(lǐng)域,如:自由空間光通訊、慣性約束核聚變以及材料處理等領(lǐng)域,高相干性激光會(huì)容易帶來(lái)散斑和更強(qiáng)的衍射。適當(dāng)降低激光束的相干性,不僅能保持激光束的一般特性,還能減低光學(xué)元件以及湍流介質(zhì)對(duì)激光束的不利影響。
　　以往人們都是把光當(dāng)做完全相干光或完全非相干光來(lái)研究。嚴(yán)格的理論表明,所有的光場(chǎng)都是部分相干場(chǎng),利用部分相干理論處理激光束的傳輸是最理想的。相干和

2、偏振是光場(chǎng)的兩個(gè)基本的特性,而通常用的標(biāo)量理論則忽略了光束的偏振特性。近些年的研究表明,標(biāo)量部分相干光理論在表征一些實(shí)際光束的時(shí)候,會(huì)丟失偏振信息。2003年,Wolf總結(jié)了以往的研究成果,并提出了部分相干部分偏振統(tǒng)一理論,該理論明確指出,光場(chǎng)的相干和偏振這兩個(gè)特性是緊密聯(lián)系的,部分相干矢量光束可以用交叉譜密度矩陣來(lái)表征。隨后的理論和實(shí)驗(yàn)研究也證明了光束的相干特性和偏振特性是相互影響,相互聯(lián)系的。
　　越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn),具有特殊

3、形狀的部分相干光束,如空心光束、平頂光束等,在很多領(lǐng)域具有重要的實(shí)用價(jià)值。因此,部分相干光束的合理整形顯得非常有意義。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上利用相位元件、多模光纖以及液晶空間光調(diào)制器產(chǎn)生了部分相干空心光束、平頂光束、渦旋光束并測(cè)量了這些光束的光參數(shù)。
　　攜帶渦旋相位的光子具有軌道角動(dòng)量,其軌道角動(dòng)量的大小由拓?fù)浜蓴?shù)所決定,在光鑷、光捕獲、冷原子以及自由光通訊方面有重要應(yīng)用價(jià)值。除了渦旋相位,帶有扭曲相位的部分相干光束同樣也可以具有軌道角動(dòng)

4、量。利用張量方法,得到了部分相干扭曲光束經(jīng)過(guò)象散光學(xué)元件調(diào)制后的軌道角動(dòng)量流表達(dá)式,計(jì)算結(jié)果顯示,攜帶扭曲相位的部分相干光束軌道角動(dòng)量會(huì)受象散光學(xué)元件調(diào)制。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了部分相干各項(xiàng)同性高斯-謝爾模(GSM)光束,并通過(guò)測(cè)量光束在兩個(gè)不同傳輸距離處的束腰寬度和相干長(zhǎng)度,確定了產(chǎn)生光束的波前曲率半徑。另外,還實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了部分相干電磁高斯-謝爾模(EGSM)光束,并利用光場(chǎng)的四階關(guān)聯(lián)測(cè)量了光束的參數(shù)。
　　1986年,Wolf發(fā)現(xiàn)了部分相干

5、光在不滿足“定標(biāo)率”時(shí),即使在自由空間傳輸,光譜也會(huì)發(fā)生頻移,這一現(xiàn)象也成為“關(guān)聯(lián)誘導(dǎo)光譜頻移”。光譜頻移是部分相干光的一個(gè)很重要的特性,在很多領(lǐng)域,如光譜測(cè)量、醫(yī)療診斷等具有重要應(yīng)用。我們利用多模光纖以及徑向偏振轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生了部分相干空心光束、平頂光束、徑向偏振光束并測(cè)量了這些光束的聚焦光譜頻移特性。
　　基于部分相干偏振統(tǒng)一理論,研究了部分相干電磁光束經(jīng)過(guò)復(fù)雜象散光學(xué)系統(tǒng)、高斯諧振腔、非線性介質(zhì)、人體組織后的光參數(shù)特性。特別是課

6、題組提出的張量方法,為研究了部分相干光束在諧振腔內(nèi)的傳輸提供了更為簡(jiǎn)便的方法。這些理論研究可以幫助人們深入了解各種部分相干光束的傳輸整形特點(diǎn),為尋找實(shí)際需要的部分相干光束提供了重要依據(jù)。
　　部分相干光束在自由空間光通訊中的研究受到了廣泛關(guān)注。利用張量方法、Wigner分布函數(shù)法以及二階矩研究了部分相干扭曲GSM光束和EGSM光束在大氣湍流中傳輸演化特性,包括光束的光場(chǎng)分布、光譜頻移以及M2因子等特性。研究發(fā)現(xiàn),初始光參數(shù)對(duì)光束的

7、傳輸有較大的影響,通過(guò)選取合適的初始光束,可以有效的降低大氣湍流對(duì)光信號(hào)的影響。
　　徑向偏振光束在信息加密、高密度存儲(chǔ)、超分辨測(cè)量、超分辨成像、材料加工以及粒子捕獲等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。基于象散光學(xué)系統(tǒng)中的廣義Collins公式,研究了部分相干徑向偏振光束經(jīng)過(guò)象散系統(tǒng)后的光場(chǎng)分布,偏振度以及相干度。研究發(fā)現(xiàn)可以利用象散元件來(lái)調(diào)制部分相干徑向光束的統(tǒng)計(jì)特性。此外,還從實(shí)驗(yàn)上研究了部分相干徑向偏振光的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn)初始光束