部分相干光通过双缝和随机介质后的光场统计特性研究

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近年来,部分相干光束受到了广泛的关注。研究人员不仅从理论上构建,并在实验上产生了各种不同类型的部分相干光束,并研究了它们在复杂光学系统和湍流介质中的传输特性。本文主要通过数值模拟以及实验研究对部分相干光通过双缝或者随机介质后的光场统计特性进行研究。理论和实验研究表明,在杨氏干涉实验中,与狭缝宽度相比,具有足够大的横向相干宽度的光,最初均匀关联的部分相干光通过双缝传输后转换为非均匀关联的光;研究了修正复洛伦兹-高斯关联光束在海洋表面大气中的光强分布、质量因子及光束发散角等统计特性随大气环境变化的传输规律。第一章,简述部分相干光的发展,以及部分相干光在双缝和随机介质(湍流大气)传输的研究背景。第二章,简单介绍了本文相关的基础知识,首先是描述部分相干光二阶光场统计特性的物理量—交叉谱密度,然后介绍了高斯-谢尔模光束及其传输公式,最后介绍产生高斯-谢尔模光束的三种模式叠加表示,并简述这三种方法的异同。第三章,从理论和实验两方面研究了高斯-谢尔模光束通过双缝后衍射光场的相干度分布。经研究发现:入射光为完全非相干光时,衍射场仅取决于x2与x1的差,为谢尔模型。入射光为完全相干光时,得到|μ(x1,x2)|=1,意味着光场是空间相干的。当狭缝尺寸小于或等于光源相干宽度时,受双缝干涉的影响,均匀关联的高斯-谢尔模光束在空间上的相干度分布变得不均匀。第四章,研究了修正复洛伦兹高斯关联光束在海洋大气湍流中的传输特性。利用扩展的惠更斯-菲涅耳积分导出了谱密度的传播公式,公式表明,得到的谱密度是只依赖于湍流、衍射效应和光束相干度的高斯函数乘积的傅里叶变换。数值结果表明,在没有湍流的情况下,远场中MCLGC光束的谱密度将由初始的高斯分布逐渐转变为类艾里分布,而在湍流的作用下,类艾里分布将变得模糊。对于足够强的湍流,可以预测其谱密度在远场将恢复到准高斯分布。此外,还利用Wigner分布函数导出了修正复洛伦兹相关光束在海洋湍流中的均方根(RMS)波束宽度、发散角和M2因子的解析表达式。结果表明:随着湍流强度的增加或内标尺度的减小,RMS波束宽度和M2因子显著增加,而外标尺度对这两个量几乎没有影响。第五章,对本论文进行总结,并对未来的发展进行展望。
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