激光光束经过散射介质的光场特性研究

发布时间：2017-06-28 19:07

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【摘要】：本学位论文中,我们研究了激光光束经过散射介质后形成的光场特性,进而对激光光束的传输特性及其与散射介质相互作用后形成的散斑场进行了细致研究。散斑现象很早以前就被研究者所发现,由于当时的局限性并未引起人们的足够重视。随着科学技术的日新月异,尤其是激光技术不断的突破创新,特殊激光光束在各个科研领域研究中扮演着无可比拟的角色,这极大的推动光学散斑研究的快速发展。当激光光束经过不透明的散射介质时,光束经过多重散射形成散斑图样。如果获取散斑的相关信息,利用相关技术就可以获得复原物的像,这对现代生物医学成像等具有重要作用。基于激光光束经过散射介质形成散斑的重要性,我们从以下三个方面进行了深入研究:首先,基于光束衍射传输理论和概率统计理论,我们研究了涡旋光束经过散射介质形成的散斑场特性。涡旋光束因其特殊的螺旋波前相位结构,并具有轨道角动量(OAM)和截面中心光强为环状结构,在众多领域中得到广泛应用。基于涡旋光束和散斑的诸多特性,我们对涡旋光束经过散射介质后形成的散斑特性进行了细致研究。我们在理论上和实验上研究了涡旋光束经过散射介质散射后形成的散斑场特性,并且讨论了涡旋光束的拓扑电荷数以及散射介质颗粒尺度对散斑特性的影响等。其次,我们对角向偏振无衍射光束的传输及其经过散射介质后形成的散斑场特性进行研究。通过理论模拟角向偏振无衍射光束的传输特性,研究轴棱锥角度大小对形成散斑的影响,并且研究了不同偏振态光束对形成散斑特性的影响。我们使高斯光束先通过角向偏振转换仪获得角向偏振光束,随后入射到轴棱锥得到角向偏振无衍射光束,进而使其经过散射介质形成散斑场。通过理论分析可知,随着散射介质颗粒尺度的减小,形成的散斑颗粒大小也逐渐减小。随着角向偏振无衍射光束的锥角减小,形成的散斑场颗粒大小逐渐增大。最后,基于相干衍射成像理论,我们通过记录激光光束经过散射介质形成的散斑强度,直接用迭代算法重建散射介质样品波前分布。运用CDI技术中的PIE算法,我们成功重建出散射介质(如南瓜茎横切片和分辨率测试靶基片)的样品波前分布。并且用MATLAB程序对散射介质的形貌进行还原,测出其强度分布和相位分布。初步实现了激光光束经过散射介质后的光学成像,我们还发现这种方法具有可拓展的成像范围,视场范围不受CCD尺寸大小的影响,收敛速度较快且具有较强的抗干扰能力。这对研究激光光束经过强散射介质成像具有重要借鉴意义。
【关键词】：散斑 散射介质 涡旋光束 角向偏振无衍射光束 PIE 成像
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN241
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 引言9-15
• 1.1 课题研究的背景和意义9-11
• 1.2 散斑研究的应用及发展趋势11-12
• 1.3 论文的研究内容12-14
• 1.3.1 涡旋光束经过散射介质产生的研究12-13
• 1.3.2 角向偏振无衍射光束经散射介质产生散斑的研究13
• 1.3.3 基于PIE算法的激光经过弱散射介质成像研究13-14
• 1.4 论文的创新点14-15
• 第2章 激光经过散射介质形成散斑的理论基础15-23
• 2.1 光束传输理论15-18
• 2.1.1 柯林斯公式15-17
• 2.1.2 涡旋光束17
• 2.1.3 角向偏振无衍射光束17-18
• 2.2 散斑形成理论基础18-22
• 2.2.1 光学散斑的统计性质19-21
• 2.2.2 蒙特卡洛理论21
• 2.2.3 有限时域差分理论21-22
• 2.3 小结22-23
• 第3章 涡旋光束经过散射介质产生散斑的研究23-31
• 3.1 理论分析23-25
• 3.2 仿真模拟25-27
• 3.3 实验过程27-30
• 3.4 小结30-31
• 第4章 角向偏振无衍射光束经散射介质产生散斑的研究31-45
• 4.1 理论分析31-35
• 4.2 角向偏振无衍射光束的传输特性及其偏振态研究35-41
• 4.2.1 仿真模拟35-39
• 4.2.2 实验结果39-41
• 4.3 角向偏振无衍射光束经过散射介质形成散斑特性研究41-44
• 4.4 小结44-45
• 第5章 基于PIE技术的激光光束经过散射介质成像研究45-53
• 5.1 相干衍射成像45-47
• 5.1.1 相干衍射成像简介45-46
• 5.1.2 PIE算法46-47
• 5.2 实验装置47-48
• 5.3 位移平台的控制及数据读取48-49
• 5.4 实验结果49-52
• 5.5 本章小结52-53
• 第6章 总结与展望53-55
• 6.1 主要结论53-54
• 6.2 展望54-55
• 参考文献55-61
• 致谢61-63
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果63

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本文编号：494956