矢量與標(biāo)量光束通過復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)和介質(zhì)的傳輸及散射研究.pdf

1、直到近期，光傳輸?shù)难芯抗ぷ饕廊淮罅渴芟抻跇?biāo)量理論的框架，而光束偏振特性的研究要求使用矢量的處理手段。將研究從標(biāo)量場拓展到電磁矢量場實際上是概念的一般化、廣義化。Wolf教授于2003年提出的相干偏振統(tǒng)一理論指出，光的相干和偏振是統(tǒng)計光學(xué)體系之中緊密聯(lián)系的兩個方面，只有在這樣的理論前提下，漲落電磁光場的許多特性才能被完全地認(rèn)識和理解。該理論不僅豐富了光學(xué)的理論體系，而且已經(jīng)給出了統(tǒng)計光學(xué)許多層面的新見解，并進(jìn)一步在應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的價值

2、，如跟蹤、遙感、光通訊等。毫無疑問，更加廣泛的應(yīng)用即將來臨。于此背景之下，本論文重點研究了矢量理論框架下的隨機(jī)電磁光束通過湍流大氣和光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)慕y(tǒng)計光學(xué)特性，分別考慮了光闌、聚焦、成像等復(fù)雜傳輸條件以及光束的Hartley變換，然后基于標(biāo)量理論框架分析了平面光波經(jīng)由各向異性介質(zhì)和各向異性粒子系統(tǒng)的散射；研究了受到橢圓光闌截取的橢圓高斯光束，以及橢圓cosh高斯光束與橢圓Hermite-cosh高斯光束通過復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的傳輸變換特性。<

3、br>　　 第一章首先從三個方面介紹了本論文的研究背景，分別為：隨機(jī)電磁光束相干偏振統(tǒng)一理論；光散射現(xiàn)象中的相干效應(yīng)；多種光束模型及其傳輸。通過了解和分析國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，進(jìn)一步指出了本論文研究工作的目的和意義.然后介紹了研究工作中所使用的主要方法和理論基礎(chǔ)，包括三個部分：隨機(jī)電磁光束的交叉譜密度矩陣；部分相干光散射理論；矩陣光學(xué)方法和廣義衍射積分公式。
　　 第二章推導(dǎo)得到了各向異性隨機(jī)電磁光束通過湍流大氣

4、傳輸，輸出平面內(nèi)交叉譜密度矩陣元的解析表達(dá)式。通過使用該表達(dá)式計算了光束傳輸過程中光譜密度、光譜相干度以及光譜偏振度的變化。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各向異性隨機(jī)電磁光束在湍流大氣介質(zhì)中傳輸足夠遠(yuǎn)的距離時，光束的光譜偏振度將不會回到它的起始值。進(jìn)一步推導(dǎo)得到了經(jīng)過狹縫光闌截取的隨機(jī)電磁光束通過湍流大氣傳輸，輸出平面內(nèi)交叉譜密度矩陣元的解析表達(dá)式。該表達(dá)式可以被應(yīng)用于研究電磁高斯謝爾模光束在大氣中傳輸?shù)墓庾V偏振度調(diào)制問題。研究發(fā)現(xiàn)輸出平面內(nèi)的光譜偏振度

5、可直接通過改變狹縫光闌的寬度來控制，模擬計算結(jié)果同時反映了狹縫光闌對偏振度分布的整形效果。最后分析了完全非偏振隨機(jī)電磁光束和完全偏振隨機(jī)電磁光束通過湍流大氣和自由空間的傳輸，找到了偏振度保持不變的必要條件。
　　 第三章將隨機(jī)電磁光束通過軸向非對稱ABCD光學(xué)系統(tǒng)的傳輸式表述為張量形式，研究電磁高斯謝爾模光束通過軸向非對稱光學(xué)系統(tǒng)的傳輸，得到了輸出平面內(nèi)交叉譜密度矩陣元的解析表達(dá)式.使用該式分別計算了光束傳輸時光譜偏振度、光譜相

6、干度以及光譜密度的變化。接著推導(dǎo)了受不同大小矩形光闌截取的電磁高斯謝爾模光束通過軸向非對稱光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)慕徊孀V密度矩陣元解析表達(dá)式。通過使用該表達(dá)式計算了受限光束通過自由空間、聚焦系統(tǒng)、雙焦系統(tǒng)傳輸過程中光譜偏振度的變化規(guī)律。最后針對均勻偏振電磁高斯謝爾模光束通過ABCD光學(xué)系統(tǒng)的傳輸進(jìn)行了一系列的參數(shù)研究。進(jìn)一步推導(dǎo)了隨機(jī)電磁光束的一般化成像公式，并通過模擬計算驗證了理論分析結(jié)果。
　　 第四章將光學(xué)Hartley變換描寫為張

7、量形式，獲得了離軸橢圓高斯光束以及離軸電磁高斯謝爾模光束通過Hartley變換系統(tǒng)傳輸?shù)慕馕霰磉_(dá)式。模擬計算結(jié)果表明，有關(guān)于輸入平面內(nèi)光束的離軸距離和離軸方向的信息將在輸出平面內(nèi)以不同空間振蕩頻率和空間振蕩方向的條紋分布的形式反映出來。該現(xiàn)象在我們計算光強(qiáng)、光譜密度和光譜偏振度的過程中均會出現(xiàn)。其中光束的離軸信息能夠以光譜偏振度分布的形式反映這一點啟示了一種信息記錄的新方法，即使用不同相干性的隨機(jī)電磁光束經(jīng)過光學(xué)Hartley變換，通過

8、記錄其輸出平面內(nèi)光譜偏振度的分布即可獲得輸入平面內(nèi)的有關(guān)信息。
　　 第五章首先分析了光束經(jīng)由高斯關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)均勻各向異性介質(zhì)的散射，得到了散射光場交叉譜密度函數(shù)的解析表達(dá)式。該表達(dá)式為我們研究多色平面波經(jīng)由高斯關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)均勻各向異性介質(zhì)的散射問題提供了有效而又便捷的途徑，計算結(jié)果反映了介質(zhì)的各向異性對散射場光譜密度和光譜相干度的影響。我們進(jìn)一步考慮了多色平面波經(jīng)由具有固定分布位置的各向異性粒子組成系統(tǒng)的散射，獲得了散射光場交叉譜密度

9、函數(shù)的解析表達(dá)式。模擬計算發(fā)現(xiàn)經(jīng)過完全相干入射光波照射的每個粒子都會形成一個新的波源，從這些波源發(fā)射的散射光波會在傳播過程中產(chǎn)生相干效應(yīng)。我們的研究結(jié)果表明可以通過測量散射場獲得系統(tǒng)內(nèi)粒子數(shù)量、形狀和相對位置的信息。
　　 第六章通過使用張量方法將橢圓光闌函數(shù)展開為有限個復(fù)高斯函數(shù)和的形式，推導(dǎo)得到了受到橢圓光闌截取的離軸橢圓高斯光束通過軸向非對稱ABCD光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)慕馕霰磉_(dá)式。使用該表達(dá)式進(jìn)行了模擬計算，并將計算結(jié)果與直接使

10、用衍射積分方程的計算結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)使用解析式的計算能夠在保證計算精度的前提下極大地提高計算效率。在此基礎(chǔ)上將橢圓環(huán)形光闌函數(shù)表示為兩個橢圓光闌函數(shù)相減的形式，推導(dǎo)得到了受到橢圓環(huán)形光闌截取的橢圓高斯光束通過軸向非對稱光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)慕馕霰磉_(dá)式，并針對橢圓環(huán)形光闌、橢圓黑屏、橢圓光闌等受限環(huán)境進(jìn)行了模擬計算。然后研究了受截取橢圓高斯光束的分?jǐn)?shù)Fourier變換，分析了受截取橢圓高斯光束焦移和焦開關(guān)現(xiàn)象的物理成因。
　　 第七章首先

11、使用張量方法建立了一種新型的光束模型，即橢圓cosh高斯光束模型，獲得了橢圓cosh高斯光束經(jīng)過軸向非對稱ABCD光學(xué)系統(tǒng)傳輸?shù)慕馕霰磉_(dá)式。通過模擬計算研究了橢圓cosh高斯光束經(jīng)過自由空間和聚焦系統(tǒng)的傳輸特性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了離軸橢圓Hermite-cosh高斯光束的物理模型，推導(dǎo)得到了橢圓Hermite-cosh高斯光束通過分?jǐn)?shù)Fourier變換系統(tǒng)傳輸?shù)慕馕霰磉_(dá)式，并進(jìn)行了相應(yīng)的模擬計算。本章所使用的理論分析手段可以進(jìn)一步拓