部分相干光在湍流中传输特性及“鬼”成像研究

摘要

相干性是光场的基本特征之一，部分相干光场在湍流介质中传输后具有光强分布均匀，传输不变性等特征，使其在空间激光通信、远程传感、生物组织成像、大气“鬼”成像等各个领域具有巨大的应用价值。因此，研究部分相干光束的传输特性及其相关应用具有重要意义。本文基于部分相干光束在实际中的应用需求并结合成熟的相干偏振统一理论模型，研究了部分相干径向矢量光束在生物组织中传输的特性和部分偏振高斯-谢尔模(Guassian Schell-model，GSM)光束的无透镜大气湍流“鬼”成像的成像特点，推导得出了相应的理论解析表达式并对数值模拟结果进行了详尽分析。主要创新点包括以下两方面:
　　第一，研究了部分相干径向矢量光束经过生物组织传输后的光学特性，推导出光束的传输后的交叉谱密度矩阵解析表达式，从而得出了传输后的电场强度和偏振特性的表达式。模拟结果表明，部分相干径向矢量光束经过生物组织湍流之后，初始中空的光强分布逐渐演变为高斯分布，其演变速度取决于生物组织湍流外尺度尺寸。与在大气湍流中传输不同，部分相干矢量光束的中心光强随距离变化的峰值基本相同，不受湍流强度影响。同时，光束偏振结构也随着传输距离的增大逐渐被破坏，而且光源的相干长度越小和生物组织折射率均方越大，光束的偏振结构被破坏的就越快。相较于光源的相干长度，生物组织本身的结构更加显著的影响部分相干径向矢量光束在生物组织传输中的光学特性。上述对部分相干径向矢量光束在组织中传输光学特性的分析，将在光学生物成像和探查生物结构有潜在的应用价值。
　　第二，研究了部分偏振高斯-谢尔模(GSM)光束大气湍流无透镜“鬼”成像的成像特点，推导得出部分偏振GSM光的大气湍流无透镜“鬼”成像的理论公式，探讨了大气湍流中部分相干光束的偏振度对“鬼”成像的成像可见度和分辨率的影响。模拟仿真结果表明:在大气湍流环境下，光源的偏振依然影响着“鬼”成像的成像质量。在标量理论中，调控“鬼”成像的光源横向相干长度，“鬼”成像的可见度和分辨率是对互相矛盾的量，无法到达最佳成像质量。但随着光源偏振度的增加，大气湍流“鬼”成像的可见度和分辨率不再为简单的矛盾关系，可以通过调控光源的偏振度在二者之间取得一定的平衡，获取更好的复现图像。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 部分相干光束的综述

1．3 湍流概述

1．4 “鬼”成像的综述

1．5 课题来源与研究内容

第2章 基本理论

2．1 部分相干光束的相干特性和偏振特性的理论描述

2．1．2 空间-频率域的互相关函数

2．1．3 偏振特性描述

2．1．4 相干特性与偏振特性的统一理论

2．1．5 高斯-谢尔模型光束

2．2 光场传输的基本理论

2．2．1 标量衍射理论

2．2．2 广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论

2．3 光场的高阶关联理论

第3章 部分相干径向矢量光束在生物组织中传输特性研究

3．1 基本理论

3．2 数值模拟和分析

3．2．1 强度分布

3．2．2 偏振特性分析

3．3 本章小结

第4章 部分偏振高斯-谢尔模光束在大气湍流中“鬼”成像特性研究

4．1 基本理论

4．2 数值模拟和分析

4．3 本章小结

第5章 结束语

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢