赝热光鬼成像的双光子几何光学机制研究

发布时间：2020-09-09 18:20

　　鬼成像是通过计算光场的关联函数,得到物体的物象或者物体的衍射参量的一种全新的成像手段。由于鬼成像第一次被证实的时候用的是双光子纠缠光源,所以对于鬼成像的解释就归结于双光子光源的纠缠性。随后的理论和实验研究工作同时证明,用赝热光源作为鬼成像光源依然可以实现鬼成像。然而,纠缠光源和赝热光源的成像机制却有不同的解释。基于双光子几何光学对鬼成像的研究发现,纠缠光源在鬼成像过程中所扮演的角色类似于平面镜。对于经典光源情况,光源在鬼成像过程中起到相位共轭镜的作用。另外,对于光源来说还可以采用双色光作为鬼成像的光源。由于鬼成像奇异的物理机制,吸引着越来越多的科研工作者探索其潜在的应用价值。鬼成像系统一般会穿过空气湍流,通过鬼成像的光强关联计算会减弱湍流对成像的影响。在散射介质中,利用光强的二阶关联可以减轻散射杂质对鬼成像的影响。本文基于双光子几何光学,主要工作安排如下:(1)在各种成像系统中,点扩散函数理论是一种非常重要而且基础的理论。通过热光鬼成像的定义结合柯林斯公式,我们得到热光鬼成像的理论解析式,鬼成像中的光强关联函数的涨落可以看成是物体和点扩散函数的卷积,鬼成像的成像质量取决于点扩散函数的宽度。基于柯林斯的光学传输的矩阵光学原理,我们可以写出鬼成像系统的点扩散函数宽度,以此来估计新设计的鬼成像系统相对于已存在的几种鬼成像系统的优劣。分析了几种常见的鬼成像系统,验证了我们的理论的正确性。研究发现在鬼成像中,探测臂透镜可以改善鬼成像质量,参考臂不能改善成像质量只改变大小。最后,我们研究了参考臂透镜和探测臂透镜同时作用下对鬼成像的影响,并发现了高质量远距离鬼成像系统。另外,通过关联成像的过程中关联的光线自光源发出,可以得到鬼成像的几何光学形式。一般的,赝热光源在关联成像的过程中起到相位共轭镜的作用,并使物体在关于光源对称的地方成像。研究发现,双光子几何光学理论和点扩散函数理论符合的很好。(2)对于均匀介质中的鬼成像,我们给出了原理性证明实验。相对于传统的直接成像手段,鬼成像在某些范围内可以得到更高质量的像,这个结果对水下鬼成像有重要的意义。我们重点讨论了水下鬼成像深度对鬼成像的影响,以及不同介质中的鬼成像。得到了影响鬼成像质量的和介质折射率有关的鬼成像点扩散函数解析式,分析了最佳鬼成像条件。增加介质折射率,可以提高鬼成像质量。从双光子几何光学理论角度,实验结果和理论符合的很好。(3)基于双光子几何光学理论,我们讨论了赝热光鬼衍射原理,并且证明了在鬼衍射过程中赝热光源起到相位共轭镜的作用。研究发现赝热光鬼衍射条件,探测臂和参考臂等长只是一个特殊情况,并非是唯一的条件。鬼衍射产生的条件可以通过调节被测物体到物光探测器的距离和鬼像到参考臂探测器的距离来实现,我们发现当上述两个距离同时满足在夫琅和费区域就可以产生鬼衍射。另外,我们还研究了含透镜的鬼衍射过程。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;O431.2
【部分图文】：

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比如小孔成像和投影。如图2.1(b)我们给出了常见的投影成像示意图，光源照亮物体后继续传播在物体后面成点对点的影像，而投影成像是没有确定的像平面，随着物体到投影平面的距离增加所得到的投影也是变大的。以上是最常见的两种成像现象，为了更容易理解鬼成像原理，接下来我们会从光的衍射和几何光学角度仔细分析透镜成像机制。图 2.1 传统光学成像示意图(a)高斯薄透镜成像示意图；(b)投影示意图

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博士学位论文先我们讨论物体相对于透镜来说较小，也就是说可以认为物体发出镜收集到的完美透镜成像过程。对于无论是放大还是缩小的完美成可以看成物体的透射函数20( ) A 贡献和函数的卷积所决定的点对关系 mIdAiobji 0200( )()()i 是像平面的光强度，0 和i 是物平面和像平面的二维坐标，m 大系数。

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图 2.3 夫稂和费衍射示意图光学中有两种非常重要的衍射现象，夫琅和费衍射和透简单的无透镜远场衍射情况，也就是夫琅和费衍射。如距离衍射平面00x y很远的地方，我们会得到衍射平面。在这一区域内观察到的衍射现象就叫夫稂和费衍射，为 0000022()(,)exp22expexp()yxzxxydxdyExyizikizikz 的透射率反映了物体的结构特点，我们考虑最简单的透费衍射，观察平面场分布为 zyzxxyTzikizEikzzyxzxxydxdyEtxyizikizikz (),2expexp()()(,)exp22expexp()02200000022

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