對(duì)光束在自由空間中傳輸和在隨機(jī)介質(zhì)中散射后的相干偏振特性的研究在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中逐漸體現(xiàn)出重要的地位,例如空間通信、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光學(xué)成像、材料檢測(cè)等。隨著相干偏振理論的建立并利用該理論來分析光束傳播和散射問題,國內(nèi)外研究者取得了眾多令人矚目的成果,從而開拓了一個(gè)以研究光場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性為主要方向的領(lǐng)域。而在這些研究中,對(duì)于光場(chǎng)的光譜和偏振的變化規(guī)律還有待進(jìn)一步的探討,與此同時(shí),散射過程中往往采用數(shù)學(xué)上形式較為簡單的隨機(jī)介質(zhì)和入射光場(chǎng),而對(duì)更加復(fù)雜的散射介質(zhì)和入射光缺乏系統(tǒng)的研究。本文針對(duì)這些問題并在相干偏振統(tǒng)一理論和弱散射理論的基礎(chǔ)框架下,對(duì)雙縫干涉光場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性、各向異性粒子群介質(zhì)的散射特性、準(zhǔn)均勻光源和準(zhǔn)均勻介質(zhì)的特性、散射場(chǎng)的偏振特性以及偏振調(diào)制的方法等方面展開研究。對(duì)雙縫干涉場(chǎng)的研究主要針對(duì)雙縫干涉場(chǎng)的相干和偏振特性進(jìn)行展開。首先根據(jù)隨機(jī)電磁場(chǎng)的相干和偏振理論,建立雙縫干涉場(chǎng)交叉譜密度和雙縫處入射光場(chǎng)的解析關(guān)系;接下來對(duì)傳統(tǒng)的交叉譜純的概念進(jìn)行擴(kuò)展,研究干涉場(chǎng)中Stokes參量保持不變的條件,即Stokes參量的交叉譜純,并推導(dǎo)出這種情況下雙縫兩點(diǎn)處的相干度應(yīng)滿足的條件;應(yīng)用統(tǒng)計(jì)相似的概念,給出了Stokes參量交叉譜純和完全相干的關(guān)系。隨后從偏振的角度出發(fā),分析研究在雙縫干涉的過程中,干涉場(chǎng)偏振態(tài)和偏振度保持不變的條件,推演出部分偏振不變時(shí)雙縫處交叉譜密度矩陣所滿足的條件;在此基礎(chǔ)之上,結(jié)合統(tǒng)計(jì)相似的概念,探討部分偏振不變和完全相干的關(guān)系,并得出在嚴(yán)格的Stokes參量交叉譜純的條件下,兩種譜純特性之間的聯(lián)系�；谙喔善窠y(tǒng)一理論和電磁場(chǎng)弱散射理論,對(duì)隨機(jī)光場(chǎng)通過隨機(jī)介質(zhì)后的散射特性展開研究,具體集中在對(duì)各向異性粒子群介質(zhì)和準(zhǔn)均勻介質(zhì)的研究上。首先考慮更為復(fù)雜的隨機(jī)介質(zhì),結(jié)合各向異性連續(xù)介質(zhì)和粒子介質(zhì)的模型,提出各向異性粒子群介質(zhì)的散射勢(shì)物理模型;根據(jù)散射勢(shì)模型和弱散射理論方程,推導(dǎo)出平面電磁波通過各向異性粒子群介質(zhì)的散射遠(yuǎn)場(chǎng)交叉譜密度矩陣的解析表達(dá)式;通過理論分析和模擬,發(fā)現(xiàn)入射光的偏振特性、散射介質(zhì)單個(gè)粒子散射勢(shì)以及粒子群的分布對(duì)散射場(chǎng)的相干特性都有不可忽視的影響。隨后考慮更具有一般代表性的準(zhǔn)均勻光源的輻射遠(yuǎn)場(chǎng)和雙縫干涉場(chǎng)作為入射場(chǎng),在一階波恩近似的條件下,分別推演出兩者經(jīng)過準(zhǔn)均勻介質(zhì)后的散射遠(yuǎn)場(chǎng)的交叉譜密度表達(dá)式;通過數(shù)學(xué)分析推導(dǎo),對(duì)兩種散射遠(yuǎn)場(chǎng)的光譜密度進(jìn)行研究,提出散射遠(yuǎn)場(chǎng)光譜密度保持各向異性的條件,即標(biāo)度定律。此外,利用矩陣和張量的形式表示了平面電磁場(chǎng)通過各向異性介質(zhì)的散射場(chǎng)交叉譜密度矩陣,并在此基礎(chǔ)之上,對(duì)三維散射場(chǎng)的偏振特性進(jìn)行研究;通過將三維直角坐標(biāo)系下表示的三維散射場(chǎng)轉(zhuǎn)換到球坐標(biāo)系,在二維的平面內(nèi),更加直觀地表示出散射場(chǎng)偏振度和偏振態(tài)的分布情況;通過對(duì)各個(gè)介質(zhì)參數(shù)選取不同的值,發(fā)現(xiàn)各介質(zhì)參數(shù)對(duì)散射場(chǎng)偏振的影響是截然不同的�；趯�(duì)非均勻偏振場(chǎng)的認(rèn)識(shí),對(duì)偏振中存在的兩種奇異,即偏振奇異和偏振度奇異展開討論。通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和演繹,得出在特定的條件下兩種奇異相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系;利用所得到的關(guān)系,推導(dǎo)出偏振度和光場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。利用計(jì)算機(jī)仿真,模擬出所需要的偏振度和光強(qiáng);設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),通過控制光強(qiáng),來生成所需要的偏振度奇異點(diǎn)以及具有任意偏振度分布的光場(chǎng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)相吻合,證明所得的結(jié)論是正確的。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O436
【部分圖文】：

圖１．２光的散射現(xiàn)象的研宄與應(yīng)用逡逑光波的散射研究因其在光通信、光學(xué)遙感監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等方面的重要實(shí)際應(yīng)用價(jià)逡逑值而被國內(nèi)外學(xué)者廣泛地關(guān)注。對(duì)光散射現(xiàn)象的研究主要包括三種理論方法，如圖１．２逡逑所示，第一種是解析理論，從波動(dòng)方程或Ｍａｘｗｅｌｌ方程出發(fā)，求出散射場(chǎng)相關(guān)函數(shù)等統(tǒng)逡逑計(jì)量的微分或積分方程形式，并通過這些解析方程，對(duì)散射場(chǎng)的相干偏振等特性進(jìn)行分逡逑析；第二種傳輸理論，從能量守ｔＵ原理出發(fā)，通過對(duì)光波通過隨機(jī)分布的eW射元？的強(qiáng)逡逑５逡逑

邐干涉和散射中隨機(jī)光場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性研究逡逑線偏振光（見圖２．２（幻）；逡逑NB團(tuán)圍柋逡逑△５邋＝邋０邐０邋＜邋＜ｎ邋１２邐ＡＳ邋－邋ｎｉｌ邐ｔｔ邋／２＜邋ＡＳ邋＜邋ｎ逡逑⑷邐（辦）邐（ｆ）邐（ｄ）逡逑國因逡逑ＡＳ邋＝邋ｎ邐ｎ邋＜邋ＡＳ邋＜３＾／２邐＝邋３＾／２邐７＞ｔｔ邋１２＜邋ＡＳ邋＜邋２ｋ逡逑（ｅ）邐（／）邐（ｇ）邐（／／）逡逑圖２．２相位差不同取值時(shí)的橢圓偏振逡逑（２）邐＝邋士；ｒ的奇數(shù)倍時(shí)，有逡逑ｕ＇＝－吞邋Ｕ、邐（２．３１）逡逑Ａ邋■逡逑表示其矢量末端運(yùn)動(dòng)經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn)沿斜率為的直線行進(jìn)，也是線偏振光（見圖逡逑２．２（ｅ））；逡逑（３）邐Ａ５邋＝邋±；ｒ／２的奇數(shù)倍時(shí)，有逡逑Ｕ２邋Ｕ］逡逑Ｔ＾＝Ｘ邐（２＿３２）逡逑這是一個(gè)正橢圓方程，其橢圓的長、短軸分量分別在Ｘ、ｙ軸上，表示光波是橢圓偏振逡逑光（見圖２．２（ｃ），（ｇ）），若同時(shí)滿足墳＝邋／！，貝ＩＪ逡逑Ｕ＾．＋Ｕ２ｙ＝Ａ２邐（２．３３）逡逑這時(shí)合矢量末端運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)圓，因此光波是圓偏振光。逡逑（４）

干涉和散射中隨機(jī)光場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)特性研究逡逑Ｅ（ｒ，叫是關(guān)于位置矢量ｒ和頻率的函數(shù)。光束入射到？？個(gè)垂：ｌ‘ｌ：0ｚ軸的不透明的有兩逡逑個(gè)縫隙的屏ｊ上，這兩個(gè)縫的中心位于點(diǎn)Ｐｄ【ｌｐ：，如圖２．３所示。一段距離以外，放置逡逑了另外一塊垂直于ｚ軸的不透明接收洰５。此時(shí)，接收Ｗ上的光場(chǎng)就是干涉疊加后的光逡逑場(chǎng)，其和入射光場(chǎng)有如下的關(guān)系｜｜６８］：逡逑Ｅ（ｒＰ外卜尺ｌ２］［Ｅ⑴隊(duì)叫邐（２．７４）逡逑＿Ｅ（ｒ２，＜ｙ｝」｜＿心｜邋人逡逑其中，是雙縫處的光場(chǎng)，是傳播因子，定義為：逡逑ｉ邋ｅｘｐ（ｉＭ？／ｆ）逡逑＾＝￣Ｔ－邋－邋Ｄ邐（？＾邋＝邋１２），邐（２．７５）逡逑Ａ邋Ｋａｆｉ逡逑其中，／？＃表示屏上點(diǎn)Ｇ和縫Ｐ／？之間的距離，々是波數(shù)，？是縫的面積。逡逑Ａ邋８逡逑圖２．３楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)示意圖逡逑由式（２．１６），可以得到接收屏上的光場(chǎng)的交叉譜密度矩陣：逡逑Ｗ（邋ｒ

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本文編號(hào)：2823056