轴棱锥相位随机调制产生无衍射散斑的方法及应用初步研究

发布时间：2020-03-25 02:18

【摘要】：无衍射光场包含无衍射光束和无衍射散斑,其特点是在自由空间传播时,具有独特的无衍射性质。无衍射贝塞尔光束作为无衍射光束家族种的一员,最早被提出,并得到了广泛的研究和应用领域的探索,其在成像方面、探测方面等领域体现出重要的研究价值和使用价值。以无衍射贝塞尔光束为基础研究发展而来的无衍射散斑,不仅具有无衍射特性,还有散斑的随机特性,体现出了比普通散斑更好的特性。由于无衍射散斑独特的性质,在幻影成像、信息加密、无损检测等领域表现出较大的前景和价值。本文对无衍射散斑产生方法及应用进行了初步研究。主要研究内容和创新点如下:一、对文献中已有的无衍射散斑产生方法进行分析归纳,根据其原理和实现方式,将其分为两大类。第二类方法,是通过数值计算对轴棱锥相位分布施加随机调制生成合成相位膜片,将合成相位膜片直接显示在纯相位空间光调制器上,再用准直激光束照射经光学空间滤波产生无衍射散斑,不需要实际器件和装置产生实际的环形光束,具有无衍射散斑参数调控灵活、光能利用率高及实现装置结构简单等优点,因此,本论文主要研究第二类方法。第二类方法中,目前有两种施加随机相位调制的方式,一种是在数值计算中对环形光束实施随机相位调制,再经傅里叶变换生成能够产生无衍射散斑的合成相位膜片,另一种是对轴棱锥相位分布直接在方位角方向实施随机相位调制生成能够产生无衍射散斑的合成相位膜片。二、在介绍第一种方法的原理和实现过程的基础上,通过数值计算模拟,研究了其所产生的无衍射散斑场的无衍射特性和散斑特性,重点研究了随机调制单元数目对散斑完备性的影响,并就原理和实现过程、无衍射特性及散斑完备性等方面与第二种方法进行比较。研究发现:(1)原理和实现过程方面,从物理原理上来说,两种方法没有本质上的区别,第一种方法是频域调制,第二种是空域调制,不同点主要体现在生成合成相位膜片的实现过程。(2)在产生的无衍射散斑的无衍射特性方面,最大无衍射距离和平均散斑颗粒大小是由所依据的轴棱锥相位梯度参数、空间光调制器参数及照射光波的波长决定的,在器件参数和波长相同的情况下,两种方法产生的散斑场在无衍射特性方面相同的。(3)在散斑完备性方面,第一种方法中影响完备性的主要因素是随机相位调制单元数目,随机相位调制单元数目越多,散斑场的完备性越好;第二种方法中影响完备性的主要因素是方位角细分数目,方位角细分数目越多,散斑场的完备性越好;频谱面上的随机相位调制单元数目和空域面上的方位角细分数目具有某种对应等价关系。三、在实验方面,(1)采用液晶纯相位空间光调制器对第一种方法进行实验研究,实验结果验证了数值计算模拟中的分析和结论。(2)对采用DMD实现纯相位调制产生无衍射散斑进行了初步实验研究。四、在无衍射散斑应用方面,提出将无衍射散斑应用于数字全息幻影成像,并进行了初步实验研究,就高斯散斑与无衍射散斑数字全息幻影成像进行了比较,初步研究结果发现,由于无衍射特性,无衍射散斑数字全息幻影成像提高了成像系统的分辨率和景深。本文的研究内容对无衍射散斑的产生、评价及其应用领域的研究具有一定的参考价值。
【图文】：

逦：ｘｂ逦＇ｍ？逡逑图１－１邋（ａ）无衍射贝塞尔光束强度分布；（ｂ）强度分布曲线。逡逑理想情况下，无衍射贝塞尔光束的能量无限大，，充满整个空间且传播距离无穷逡逑远，但是在实际情况中是不可能产生的；由于实际光场能量总是有限且受光学器件逡逑有限孔径的限制，因此实际产生的无衍射贝塞尔光束在自由空间传播时，其光场的逡逑分布和形状只能在一定的传播距离内保持不变，被称为“近似无衍射贝塞尔光束”。逡逑为了在有限孔径条件下增加无衍射距离，Ｘｉｅ等Ｗ提出了梯度折射率轴棱锥逡逑（Ａｘｉｃｏｎｏｎａｇｒａｄｉｅｎｔｉｎｄｅｘ－ＡＸＩＧＲＩＮ）法，郑维涛等１７Ｇ］提出了双轴棱锥法，？小川等逡逑［７１】提出了线性径向梯度折射率透镜法，以上方法均有效的产生并得到了长距离的逡逑无衍射贝塞尔光束。逡逑无衍射贝塞尔光束除了具有无衍射特性和自加速特性［７２］以外

本章首先介绍散斑基本原理和一阶统计特性，将其作为无衍射散斑的评价方逡逑法，然后对无衍射散斑产生的原理进行分析与物理解释。逡逑２．１逦散斑的基本原理与统计特性逡逑２．１．１散斑的产生逡逑从光学尺度上来看，当用相干光波照明粗糙物体表面时，粗糙表面可以看作是逡逑由随机分布的大量微小面元构成，每个面元对相干光波的反射或者散射作用又可逡逑以被看作新的次波源；不同的面元对入射光波所造成的附加相位差不同且是完全逡逑随机的。观测面上任意一点的光强分布是物体表面上不同面元的反射或散射的光逡逑波在观测点的干涉叠加，由于干涉相长和相消，所以整个观测面上就呈现出了明暗逡逑交替、随机分布的颗粒状斑纹图样，如图２－１所示。由相干光波照明粗糙物体产生逡逑散斑的直观过程如图２－２所示。逡逑
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436.1

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本文编号：2599234