【摘要】：散射是物理學(xué)中常見的現(xiàn)象,比如光透過隨機(jī)散射介質(zhì)的傳輸就會發(fā)生散射。隨機(jī)散射擾亂了光波波前,給成像帶來了極大的困難,因此其一直被認(rèn)為是對成像環(huán)境的限制。同時,我們所關(guān)注的待測物體常常隱藏于散射介質(zhì)之后,或被散射介質(zhì)包裹,對成像也造成極為不利的條件。如何克服散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)透過散射介質(zhì)的聚焦和成像,是現(xiàn)代光學(xué)中的一個研究熱點(diǎn)。盡管散射光場隱藏了波前信息,但是散射增強(qiáng)了散射光場的隨機(jī)過程和強(qiáng)度的變化。通過設(shè)計(jì)已知的隨機(jī)波前抽樣屏,增加波前抽樣面的限制條件和記錄強(qiáng)度圖樣的多樣性,有助于提高相干衍射成像和定量顯微技術(shù)中相位恢復(fù)的精度和效率,甚至實(shí)現(xiàn)直接波前測量。另外,隨機(jī)散射光場中含有豐富的振幅、相位和偏振態(tài)信息,這提供了研究光場奇異性(相位奇點(diǎn)和偏振奇點(diǎn))的條件。比如隨機(jī)無衍射光束,該光場中分布著隨機(jī)陣列渦旋,并且可以在一段傳輸距離內(nèi)保持橫向強(qiáng)度輪廓不變。隨機(jī)無衍射光束這一特性已經(jīng)應(yīng)用到誘導(dǎo)二維光子晶格和研究光子的安德森局域化。近年來,人們提出了一種測量散射介質(zhì)透射矩陣的方法來克服散射效應(yīng)。通過記錄入射光場和透過散射介質(zhì)輸出光場的復(fù)振幅(振幅和相位)和偏振態(tài)的確定性變化可以用來表征散射介質(zhì)的透射特性。透射矩陣就是一種表征散射介質(zhì)透射特性以及輸入光場和透過散射介質(zhì)輸出光場確定性關(guān)系的復(fù)系數(shù)矩陣。矢量透射矩陣則能夠表征透過散射介質(zhì)的輸入、輸出光場中復(fù)振幅和偏振態(tài)變化的確定性關(guān)系。基于測量的透射矩陣可以克服散射效應(yīng),實(shí)現(xiàn)透過散射介質(zhì)的波前調(diào)控以及透過散射介質(zhì)的聚焦和掃描成像。本論文主要開展了基于隨機(jī)抽樣的無透鏡波前測量技術(shù)、隨機(jī)無衍射光束衍射特性的探究以及散射介質(zhì)矢量透射矩陣的表征、測量和實(shí)現(xiàn)透過散射介質(zhì)的矢量波前調(diào)控方面的工作。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.概述了信息光學(xué)中關(guān)于光信息傳輸、記錄、獲取、成像以及散射等方面的基本概念和問題。對基于隨機(jī)抽樣和波前調(diào)制的相位恢復(fù)方法、隨機(jī)無衍射光束和透過散射介質(zhì)的波前調(diào)控技術(shù)的研究背景、國內(nèi)外研究進(jìn)展及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述和分析。2.研究了光在均勻空間和非均勻空間中的傳輸理論與數(shù)值計(jì)算方法。重點(diǎn)研究了基于多相位屏法計(jì)算光在非均勻介質(zhì)特別是湍流大氣介質(zhì)中傳輸光場的數(shù)值分析方法。通過Matlab編程數(shù)值模擬了拉蓋爾-高斯渦旋光束在典型湍流大氣中的傳輸情況。模擬結(jié)果表明,光在大氣湍流中的傳輸時,光束會發(fā)生展寬效應(yīng),大氣湍流能夠破壞光束的振幅與相位結(jié)構(gòu)。3.研究了隨機(jī)散射光場的中存在的相位奇異和偏振奇異現(xiàn)象,給出了相位奇點(diǎn)和偏振奇點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算方法。首先對相位奇點(diǎn)的定義及其數(shù)值計(jì)算的環(huán)路積分法進(jìn)行了相關(guān)定量描述。然后研究了拉蓋爾高斯渦旋和普通高斯渦旋在傳輸過程中其相位奇異處的相位奇點(diǎn)分布與統(tǒng)計(jì)情況。研究表明高拓?fù)浜蓽u旋的相位奇異處的相位奇點(diǎn)代數(shù)和等于該渦旋的拓?fù)浜?對照明圓形散射屏獲得的隨機(jī)散射光場中相位奇點(diǎn)數(shù)密度的統(tǒng)計(jì)特性與傳輸距離的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)相位奇點(diǎn)數(shù)密度與散射屏的面積、光波波長和傳輸距離密切相關(guān)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步討論了典型偏振奇點(diǎn)C點(diǎn)和L線的數(shù)值計(jì)算方法。數(shù)值對比了偏振散射光場中C點(diǎn)數(shù)密度和偏振散斑場中兩個正交偏振分量中相位奇點(diǎn)數(shù)密度的關(guān)系(前者大約是后者的兩倍)。4.提出了一種基于液晶空間光調(diào)制器和遞增二值隨機(jī)抽樣算法的無透鏡波前測量方法。在該方法中,記錄裝置僅是由一個透射式的液晶空間光調(diào)制器和一個圖像傳感器組成。通過設(shè)計(jì)四幅遞增二值隨機(jī)抽樣屏,并依次加載到空間光調(diào)制器上。光波透過空間光調(diào)制器得到四幅衍射強(qiáng)度圖樣。利用遞增二值隨機(jī)抽樣算法,入射到空間光調(diào)制器上的待測波前就可以從記錄的衍射強(qiáng)度圖樣中定量地恢復(fù)出來。由于只用到液晶空間光調(diào)制器的兩種調(diào)制狀態(tài)(不透明和透明),因此液晶空間光調(diào)制器的調(diào)制函數(shù)可以很好的確定。通過在波前引入一組遞增二值隨機(jī)抽樣屏,極大地提高了波前相位恢復(fù)的精度和效率。同時我們在實(shí)驗(yàn)上給出了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并驗(yàn)證了該方法的可行性。5.研究了隨機(jī)無衍射光束的衍射特性,主要對隨機(jī)無衍射光束中相位奇點(diǎn)的演化與統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬與研究。研究發(fā)現(xiàn),隨機(jī)無衍射光束中的相位奇點(diǎn)主要來源于具有相同環(huán)狀空間頻譜的貝塞爾光束的零值暗環(huán)處。同時,我們發(fā)現(xiàn)相位奇點(diǎn)的平均數(shù)密度與對應(yīng)貝塞爾光束的零值暗環(huán)之間的平均間隔有著密切的關(guān)系。根據(jù)這個模型,首次給出了定量計(jì)算隨機(jī)無衍射光束中相位奇點(diǎn)數(shù)密度的解析公式。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該公式的有效性。這一公式將有助于理解和設(shè)計(jì)不同空間結(jié)構(gòu)的隨機(jī)無衍射光束。6.研究了散射介質(zhì)矢量透射矩陣的表征及對散射介質(zhì)矢量透射矩陣的快速測量方法。首先定量描述了散射介質(zhì)矢量透射矩陣的不同表征方式和矢量空間光調(diào)制器的原理。然后基于矢量空間光調(diào)制器和雙通道角分復(fù)用偏振全息記錄光路搭建了一套用于測量散射介質(zhì)復(fù)矢量透射矩陣的光學(xué)系統(tǒng)。同時對所測得的矢量透射矩陣中的奇異性進(jìn)行了相關(guān)研究。發(fā)現(xiàn)每個輸入點(diǎn)源對應(yīng)的矢量透射矩陣中四個標(biāo)量場中的平均相位奇點(diǎn)數(shù)密度約為同一輸入點(diǎn)對應(yīng)的兩個正交偏振分量的偏振散射光場中平均偏振奇點(diǎn)(C點(diǎn))數(shù)密度的一半。7.提出了兩種實(shí)現(xiàn)透過散射介質(zhì)聚焦任意矢量光束或矢量光場的方法。其一,基于數(shù)值濾波的矢量點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)工程聚焦方法,將矢量點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的概念引入到矢量光場透過散射介質(zhì)的波前調(diào)控技術(shù)中。通過對測得的矢量透射矩陣(VTM)進(jìn)行轉(zhuǎn)置共軛操作,再對轉(zhuǎn)置共軛后的VTM中每個輸出模式進(jìn)行空間數(shù)值濾波得到新的VTM。所需的輸入矢量光場信息可直接從新的VTM中提取出來。然后將其編碼進(jìn)雙通道計(jì)算全息圖,調(diào)制波前并實(shí)現(xiàn)透過散射介質(zhì)的任意矢量光束聚焦(準(zhǔn)確對應(yīng)于數(shù)值濾波函數(shù)的傅里葉變換)。其二,基于離散卷積的矢量點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)工程聚焦方法。通過設(shè)計(jì)想要聚焦的矢量光場,結(jié)合復(fù)矢量透射矩陣的轉(zhuǎn)置共軛,直接計(jì)算所需的輸入矢量光場,也實(shí)現(xiàn)了透過散射介質(zhì)的任意矢量光場的聚焦。而且后者不需要使用復(fù)雜的傅里葉變換,降低了計(jì)算輸入光場的冗余度。通過對這兩種聚焦方法進(jìn)行分析和討論,基于離散卷積的矢量點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)工程聚焦方法可以實(shí)現(xiàn)大尺寸、任意形狀矢量光場的聚焦,而且能夠更快地設(shè)計(jì)所需的調(diào)制波前信息�；跀�(shù)值濾波的矢量點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)工程聚焦方法則可以很好地保持聚焦光場的精細(xì)結(jié)構(gòu)。
【圖文】：

圖1.1 給出了近年來基于隨機(jī)波前調(diào)制來實(shí)現(xiàn)波前相位恢復(fù)的方法。圖 1.1(a)表示基于隨機(jī)振幅屏調(diào)制波前實(shí)現(xiàn)波前直接測量的方法，隨機(jī)振幅屏用來產(chǎn)生體積散斑場，增強(qiáng)軸向衍射強(qiáng)度的變化；圖 1.1(b)基于隨機(jī)復(fù)振幅屏調(diào)制波前，實(shí)現(xiàn)了 X 射線波段的相位成像；圖 1.1(c)通過將液晶空間光調(diào)制器作為可調(diào)的散射器，利用液晶的偏振效應(yīng)將相位信息編碼到散射光場中，提高了光軸強(qiáng)度的變化，實(shí)現(xiàn)了波前的有效測量；圖 1.1 (d)基于隨機(jī)振幅屏實(shí)現(xiàn)了對兩個干涉波波前的有效測量；圖 1.1(e)基于隨機(jī)相位屏實(shí)現(xiàn)了多波長的波前測量，將波前測量擴(kuò)展到同時存在多波長的研究領(lǐng)域；圖 1.1 (f)基于單幅二值隨機(jī)抽樣的相位成像技術(shù)，利用壓縮感知算法從稀疏的波前中恢復(fù)出待測的物象信息。相比于大多數(shù)波前調(diào)制屏來說，隨機(jī)二值抽樣屏更加容易制備，并能夠擴(kuò)展波前測量的應(yīng)用范圍。

隨機(jī)二維光子晶格的實(shí)驗(yàn)原理圖與隨機(jī)無衍射光束的橫向與縱向光場一種更一般的 NDB，，我們稱為隨機(jī)無衍射光束（random[39,41]迅速引起了人們的研究興趣。因?yàn)樵谠摴馐校怪庇诜植贾S富的隨機(jī)陣列相位渦旋。隨機(jī)無衍射光束的產(chǎn)生可
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O436

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2642680