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矢量光束传输与散射特性及相关参数约束条件的理论研究

李伽  
【摘要】:近二十年来,电磁波通过介质传输及散射的相关理论研究在自由空间通信、目标探测以及光信息处理等众多领域越来越显示出其重要性,受到了国内外学者极大的关注。其中,矢量光束通过大气湍流等介质的传输、散射特性及其偏振态、相干度等光束参量恒定条件目前已成为国际研究热点。本文基于矢量光束的传输、散射理论并结合偏振、相干等处理方法,对特型高斯、非均匀偏振等矢量光束在大气湍流和单轴晶体等介质中传输及散射的几个相关理论进行了建模,对其在传输和散射过程中的偏振态及相干度等光束参量恒定条件分别进行了推导,主要内容可分为以下几个方面: 特型高斯矢量光束的传输特性研究。利用矢量角谱和驻相法,对特型高斯矢量光束(四瓣高斯、厄米余弦高斯和高阶双曲余弦高斯)的传输矢量结构和能量分布进行了推导和数值仿真,得到其远场传输特性与光束参数相互作用的重要结论;基于归一化的柯林斯衍射方程,将标量相干四瓣高斯光束传输的理论进一步拓展到部分相干矢量四瓣高斯光束的情况,并针对光束参数的影响效果进行了分析,从理论上阐述了空间矢量相关性是导致光束传输特性变化的主要原因。此外,基于电磁波偏振相干统一理论,分别对辐射矢量厄米高斯和双曲余弦高斯光束的参数条件进行了研究,得到了光源相干长度与束腰半径须满足一定关系不等式的结论。 随机电磁光束在大气湍流和光学系统中的传输特性研究。基于拓展的惠更斯-菲涅耳传输方程,对部分相干四瓣高斯光束通过大气湍流介质后的光束展宽和光强分布特性进行了仿真研究,提出可以通过适当选取相干长度和阶数以控制光束在湍流中质量衰减的理论方法;得到了像散随机电磁光束通过大气湍流传输后偏振度保持恒定的光源参数约束条件,并将该解析条件进一步拓展至任意矩阵元素的像散光学系统中,并证明该充分条件的成立不受大气湍流结构参数等其它因素的制约,具有一定的独立性。此外,还对部分相干高斯光束通过光学谐振腔的光谱偏移及光谱开关现象进行了研究和讨论。 非均匀偏振光束在单轴晶体中的传输特性研究。基于矢量光束在单轴晶体中传输的理论,分别对圆柱偏振矢量光束、洛伦兹矢量光束等通过单轴晶体传输后的光强、偏振态、展宽和峭度等物理量分布特性进行了推导及数值仿真,并对晶体的各向异性影响作用进行了阐述。此外,对随机电磁光束在单轴晶体中传输的交叉偏振度恒定条件进行了推导,得到了光束在传输过程中的强度涨落保持恒定的光源参数约束条件。 矢量平面波通过随机介质的散射特性研究。基于一阶玻恩近似,将标量平面波通过随机介质散射的相干度恒定条件进一步拓展到矢量平面波散射情况下,对后者解析式与前者之间的差别进行了讨论,并着重围绕入射波矢量相关性对该恒定条件的影响进行了分析。此外,将标量平面波散射的二阶强度相关函数进一步拓展到矢量平面波散射情况下,从理论上阐述了入射波偏振信息及散射角度的可变性是导致两者之间解析形式差别的主要物理因素。


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