随机电磁光束的传输特性

论文摘要

近几年,随机电磁光束的传输特性成为了一个很热门的研究方向,特别是自从2003年Wolf提出了随机电磁光束的偏振相干统一理论之后,很多研究者对随机电磁光束在传输过程中光谱、相干度以及偏振度的变化进行了大量的研究。在本论文中,我们以一些有代表性的光束（如高斯-谢尔模型光束等）为例,详细地研究了随机电磁光束在传输过程中的光谱、光强以及偏振度等参量的变化情况。主要工作包括:1.根据完全相干光的传输公式,推导了完全相干光在考虑了双缝宽度的杨氏双缝干涉实验中的光谱表达式。分析了光源的光谱宽度以及缝宽大小对光谱变化的影响。发现随着光源光谱宽度和缝宽大小的变化,不仅光谱位移会出现变化,光谱的宽度也会出现相应的变化。2.基于交叉谱密度的传输公式和相干偏振统一理论,研究了部分相干光（高斯-谢尔模型光束）经双缝干涉后,在干涉场中的光谱变化和偏振度变化。研究结果表明:干涉场中的光谱和偏振度大小决定于双缝的缝宽大小和光源平面的相干长度。并且光谱的变化还同光源的光谱宽度相关,偏振度的变化情况还与光源平面的偏振度大小有关。3.对完全相干的涡旋光束经双缝干涉后的干涉条纹进行了研究。研究发现:涡旋光束的干涉条纹沿着竖直方向出现了横向的移动。干涉条纹横向移动的方向决定于涡旋光束拓扑荷数的符号,而横向移动的大小则决定于拓扑荷数的数值大小。4.从部分相干光的传输理论出发,推导了带像差的随机电磁光束在传输场中光强、相干度以及偏振度的表达式。并以高斯-谢尔模型光束为例,研究了带像散的光束在大气湍流中的传输特性。研究表明:同不带像散的光束相比较,带像散光束的扩散速度更快。此外研究还发现:像散系数、湍流的大小以及光束的空间相干长度的变化将引起传输过程中的偏振度变化。在大气湍流传输时,到了足够远的传输距离后,光束的偏振度将最终等于光源平面处的偏振度大小。5.利用相干偏振统一理论,我们还研究了随机电磁涡旋光束的传输特性。研究表明:涡旋光束的中心光强随着空间相干长度的减小而增加,拓扑荷数越大,中心暗斑越大。此外,观察点的偏振度也将随着相干长度和拓扑荷数的变化而变化。

论文目录

• 论文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究工作的动机与目标
• 1.3 本学位论文各章节安排
• 第二章 光束传输的基础理论
• 2.1 部分相干光的基本理论
• 2.1.1 空间－时间域
• 2.1.2 空间－频率域
• 2.2 随机电磁光束的偏振相干统一理论
• 第三章 杨氏双缝干涉实验的光束传输特性
• 3.1 随机电磁光束经杨氏双缝干涉后的光谱特性分析
• 3.1.1 完全相干光经双缝干涉后的光谱变化
• 3.1.2 部分相干光经双缝后的光谱变化
• 3.2 随机电磁光束经杨氏双缝干涉后的偏振度
• 3.3 涡旋光束双缝干涉的干涉条纹
• 3.3.1 涡旋光束的产生方法
• 3.3.2 涡旋光束双缝干涉后的光强分布
• 3.3.3 利用涡旋光束双缝干涉条纹判断拓扑荷数
• 3.4 本章概要
• 第四章 随机电磁涡旋光束的传输特性
• 4.1 随机电磁涡旋光束自由空间中的传输理论
• 4.2 一类随机电磁涡旋光束的传输特性
• 4.2.1 自由空间传输的光强分布
• 4.2.2 自由空间传输的偏振度
• 4.3 本章概要
• 第五章 带像差随机电磁光束在大气湍流中的传输特性
• 5.1 带像差随机电磁光束在大气湍流中的基本公式
• 5.2 带像散的高斯－谢尔模型光束在大气湍流中传输
• 5.2.1 传输中的光强及偏振度
• 5.2.2 传输特性分析
• 5.3 本章概要
• 第六章 全文主要结论及主要创新点
• 参考文献
• 附录A 常使用的一些基本变换矩阵
• 作者在读期间发表及录用的论文情况
• 致谢