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光波弱散射高阶相干效应及新型散射介质设计研究

丁毅  
【摘要】:当光束在光学性质不均匀的介质中传播时,从侧向可以看到光,这种现象被称为光的散射。光波散射的物理本质是光与物质相互作用,因此散射场的统计特性与散射介质的结构特征密切相关。换言之,散射场会携带散射介质的结构信息,这对于实际中无法直接探测物体结构信息的情况而言意义重大,因此光波散射过程中散射场的统计特性一直是研究人员所关注的重点话题。过去对散射场的研究主要集中在其二阶统计特性(比如光谱强度、光谱相干度、光谱偏振度等),对于散射场的高阶相干效应我们还知之甚少。而且散射场的高阶相干效应包含了更多散射介质的结构信息,这对于需要精确重构散射介质的情形(比如生物医学诊断)而言尤为重要。另一方面,随着制造技术和3D打印技术的飞速发展,在几微米量级的空间分辨率上制造产品已经成为现实。这为设计具有特定关联结构的新型散射介质来实现散射场的操控提供了坚实的实验基础。在过去10年里,研究人员相继提出了能产生各种特定散射强度分布的新型散射介质模型,并实现了具有平顶形、框架形、环形、正方形、矩形等结构的散射场。在上述研究背景下,本论文在一级Born近似和远场近似的精度范围内,讨论了光波弱散射问题。首先,我们研究了光波经混合粒子系统散射后的远场行为。随后,详细研究了散射场的高阶相干效应,主要包括两个方面:多色电磁光波弱散射后的强度涨落关联特性以及相干光波弱散射后相干性保持不变的条件。最后,对新型散射介质设计问题进行了研究,提议了能产生阵列分布的新型散射介质模型,同时基于卷积理论提出了设计散射介质的新方法。论文章节具体安排如下:第一章首先介绍了光波散射的研究历程及发展动态。然后介绍了本论文研究所涉及的基础知识,主要包括三个方面:标量光波弱散射理论、矢量光波弱散射理论、以及准均匀介质和多粒子系统的描述。第二章提出了具有确定性和随机性粒子的混合粒子介质模型,并推导了光波经这样一个混合粒子系统散射后的远场光谱强度和光谱相干度的解析表达式。根据所得结果详细讨论了确定性粒子的位置和随机性粒子的分布对远场光谱强度和光谱相干度的影响。第三章研究了多色电磁光波弱散射后的强度涨落关联特性。首先建立了多色电磁光波经随机介质散射后远场强度涨落关联的一般解析理论。随后以准均匀介质和高斯谱光源为例,详细讨论了散射介质的结构参数、入射光波的频率以及散射角对远场强度涨落关联谱分布的影响。接下来,进一步推导了散射过程中强度涨落关联谱分布中心频率保持不变的临界角的表达式以及给出了根据该临界角和光源参数测定准均匀介质结构信息的方法。最后提出了多色电磁光波弱散射后强度涨落关联的标度定律。第四章研究了相干光波弱散射后相干性保持不变的条件。首先,从统计相似性的观点给出了相干光波弱散射后二阶相干保持不变的条件,并详细解释了该条件所表明的二阶相干散射场的本质。随后,在散射场具有二阶相干的基础上,进一步讨论了高阶相干的保持问题,并给出了描述散射场高阶相干性的简便方法。基于该方法,证明了二阶和四阶相干保持的结合可以表明散射场具有所有阶相干。最后,揭示了相干散射场其散射介质的结构特征,并重点讨论了二阶相干的情形。第五章研究了产生特殊光场结构的新型散射介质的设计问题。首先在马尔科夫近似下,推导了散射远场光谱强度与介质散射势关联度之间的关系表达式。据此设计了一类具有新型关联结构的散射介质模型,使得光波经过该类介质散射后远场的光谱强度呈阵列分布。然后,基于卷积理论,提出了设计散射介质的新方法。该方法的优点在于可以更灵活地、多自由度地操控散射场。第六章是总结部分,概述了本论文的主要工作和创新点,并提出了对未来工作的展望。


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