光波经介质弱散射的光学特性及其逆问题

摘要

光波入射到介质上时，将偏离原来的方向而向四面八方散开，这种现象称为光波散射。光波散射涉及的范围非常广泛，就散射介质而言:可以是确定的，也可以是随机的;可以是各向同性的，也可以是各向异性的;可以是均匀的，也可以是非均匀的。就光与物质的相互作用而言:响应可以是动态的，也可以是静态的;可以是线性的，也可以是非线性的。就入射光波而言:可以是单色的，也可以是多色的。光波经过各种介质散射的研究在物理学、天文学、化学、气象学以及生物医学等方面有着潜在的应用，因而受到研究人员的广泛关注。本文将在一级波恩近似条件下，研究光波经过线性的、各向同性的、统计稳定的介质散射后的光学特性。首先，讨论标量光波散射过程中的光学特性，并将散射理论从标量光波推广到矢量光波。然后，研究光波散射过程中的光谱移动现象，研究光波散射过程中的逆问题，也就是通过散射场光学特性的测量来重构散射介质的结构信息。本研究分为七个部分： 第一章：介绍本论文的研究背景和现状。首先，介绍光波弱散射的研究进展，光波散射过程中的光谱变化现象，光波散射过程中的逆问题。进一步指出本论文研究的目的和意义。此外，简要给出本论文的主要研究内容及各章节的安排。 第二章：介绍本论文所涉及到的基础知识。包括:介绍标量光波的散射理论，以及光波散射过程中的一级波恩近似和远场近似;介绍光波弱散射问题讨论中常见的散射体，包括确定性介质、随机介质以及多粒子系统;介绍矢量光波的散射理论。 第三章：研究标量光波散射过程中的光学特性。讨论标量光波经过高斯-谢尔模型介质散射后的光学特性，并分析散射介质的关联函数对散射光波远场光谱强度和光谱相干度分布的影响。讨论标量光波散射过程中光谱相干度的变化规律，并给出空间完全相干的标量平面波经过介质散射后光谱相干度保持不变的条件。分别以确定性介质、随机介质和多粒子系统为例对光波散射过程中相干度保持不变的条件进行讨论。 第四章：研究矢量光波散射过程中的光学特性。首先，讨论矢量光波经过介质散射后的描述方法，并给出矢量光波散射过程中的交叉谱密度矩阵。根据散射光波的交叉谱密度矩阵，研究散射场的光学特性，包括光谱强度、光谱相干度以及光谱偏振度。然后，研究矢量光波散射过程中的光谱相干性，给出光波散射过程中偏振导致的相干性变化现象。以光波经过确定性介质和准均匀介质的散射为例对偏振导致的相干性变化进行讨论。此外，研究散射场的Stokes参数，并根据Stokes参数讨论散射场的光谱偏振度。以光波经过准均匀介质的散射为例对散射场的Stokes参数和光谱偏振度进行讨论，分析入射场的光谱偏振度对散射场Stokes参数及光谱偏振度分布的影响。 第五章：研究光波散射过程中的光谱变化。研究标量光波散射过程中的光谱移动现象，并以光波经过确定性介质的散射为例，讨论介质的散射势对光谱移动的影响。研究光源的关联对散射场光谱移动的影响，并详细讨论散射过程中关联导致的光谱变化和散射导致的光谱变化现象。研究矢量光波散射过程中的光谱分布，并以确定性介质为例讨论入射光谱、散射角以及介质的散射势对散射场光谱分布的影响。此外，研究矢量光波散射过程中光谱分布保持各向同性的条件。 第六章：研究光波散射过程中的逆问题。介绍光波逆散射问题的研究方法。研究以双光束入射法探测随机介质散射势关联函数的方法，并以准均匀介质为例对该方法进行讨论。研究光波经过多粒子系统散射的逆问题，并给出随机分布的多粒子系统结构因子对的测量方法。此外，研究多粒子系统两点强度关联函数的测量问题，并讨论提高测量精度的方法。 第七章：对本论文工作进行总结，给出本文的创新点以及对后续工作的展望。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景与现状

1．2 研究动机和目标

1．3 本论文的主要内容及章节安排

参考文献

2．理论基础

2．1 标量光波的散射及其描述

2．2 一级波恩近似及远场近似

2．3 几种常见的散射体及其描述

2．4 矢量光波散射及其描述方法

2．5 本章小结

参考文献

3．标量光波经过介质散射后的远场光学特性

3．1引言

3．2 光波经过高斯-谢尔模型介质散射后的远场特性

3．3 光波散射过程中相干度保持不变的条件

3．4 本章小结

参考文献

4．矢量光波经过介质散射后的远场光学特性

4．1 引言

4．2 矢量光波经过介质的散射理论

4．3 偏振导致的相干性变化

4．4 矢量光波散射过程中的Stokes参数及光谱偏振度

4．5 本章小结

参考文献

5．光波散射过程中的光谱变化

5．1 引言

5．2 光波散射过程中的光谱移动现象

5．3 光源的关联对散射场光谱移动的影响

5．4 矢量光波散射过程中的光谱特性

5．5 矢量光波散射过程中光谱保持各向同性的条件

5．6 本章小结

参考文献

6．光波散射过程中的逆问题

6．1 引言

6．2 光波逆散射问题的研究方法

6．3 双光束入射法测量准均匀介质的关联函数

6．4 多粒子系统强度关联函数的测量

6．5 本章小结

参考文献

7．总结

7．1 工作总结与创新点分析

7．2 未来工作展望

攻博期间主要研究成果和获奖情况

致谢