部分相干光的相关理论和实验研究

【摘要】： 在过去的几十年里,部分相干光已经被广泛的应用在很多领域,如自由空间光通讯,激光材料表面热处理、激光扫描、惯性约束核聚变、非线性光学、光学成像等。本文结合理论和实验研究了部分相干高斯-谢尔模(GSM)光束的产生,部分相干GSM光束经过分数傅里叶变换光学系统传输变换特性和基于部分相干光的符合分数傅里叶变换和符合成像,相干和部分相干空心光束的模型构建和传输特性。 本论文的第一章分别综述了部分相干光的研究背景,分数傅立变换,经典符合衍射和成像及空心光束的发展概述,介绍了目前国内外的研究状况,指出了本论文研究的内容和创新点。第二章分别介绍了一些基础理论,如菲涅耳-基尔霍夫衍射理论,矩阵光学方法和光场的高阶相关理论。 第三章,介绍了一种利用He-Ne激光束照射到旋转的毛玻璃,出射的散射光束经过一系列的光学变换,成功产生了光强和横向相干性都是高斯分布的光源—即GSM光束。GSM光源的横向相干长度大小可以通过相应的光学元件适度的调节。提出了一种测量GSM光源横向相干长度的新方法,并在实验上成功的测量了GSM光源的横向相干长度。 第四章,简要回顾了分数傅里变换的定义和光学实现方法。搭建GSM光束经过分数傅里叶变换光学系统的实验测试装置,实验上测量了GSM光束经过分数傅里叶变换在几个不同的分数傅里叶面上的光强分布和横向相干长度的变化以及改变光源的横向相干长度观察分数傅里叶面上光束性质的变化。实验结果能很好的符合理论计算结果。更进一步,在理论上推导了GSM光束通过有光阑限制的分数傅里叶变换,得到了描述分数傅里叶面上光束性质的近似解析式;进行了相应的实验验证,实验测量结果和理论计算对比,两者能很好的符合,说明了理论推导的正确性。研究结果表明:利用分数傅里叶光学系统能很灵活的控制GSM光束的光强分布和横向相干长度的大小。 第五章,基于光的四阶关联性质,介绍了利用部分相干光实现符合分数傅里叶变换的光路结构。分析了GSM光束的光斑宽度和横向相干长度对符合分数傅里叶变换图样的能见度和品质的影响,在实验上成功观察到了在GSM光束照射下双缝的符合分数傅里叶变换图样。提出了分别利用部分相干光和量子纠缠光对物体实现无透镜的符合分数傅里叶变换及部分相干光的无透镜符合成像。根据理论提出的结构搭建实验光路系统,测量了GSM光束的无透镜符合分数傅里叶变换和符合成像。 第六章,提出了新型相干和部分相干空心光束的模型,结合数值方法研究分析了新型相干和部分相干空心光束在光学系统中传输的各种特性,如传输因子,光轴上光强演变,横平面上光强分布演变等。