论文摘要
光波经随机表面散射后形成的颗粒状的随机光强分布即散斑。根据观察面距离散射表面的不同可以把散斑分为远场散斑和近场散斑。夫琅和费区域和菲涅耳区域内形成的散斑称为远场散斑，研究表明远场散斑不包含散射表面的信息。距离散射表面一个波长范围以内的散斑为近场散斑，此区域内包含丰富的亚微米量级的光学信息。本文研究的散斑是介于两者之间的菲涅耳极深区散斑，该区域内的散斑由于包含了丰富的表面信息而成为近年来倍受关注的课题。另外根据入射光不同，可以把散斑分为相干散斑与部分相干散斑。入射光为激光时产生的散斑为相干散斑；当光源为时间相干性或者空间相干性较差的光源时产生的散斑为部分相干散斑。本文第六章研究了时间相干性较差的光源即平行白光入射时在菲涅耳极深区产生的白光散斑的特征及其统计特性随样品粗糙度和散射距离的演化。在光场中某一点，当光场的实部和虚部同时为零时，导致该点光场相位不确定而且围绕着该点螺旋增加或减小，相位等值线以该点为中心星形地向外辐射的现象即是相位涡旋现象。相位涡旋现象存在于众多物理领域，并在光学微控、量子纠缠、信息传输等众多领域具有重要而广泛的应用。散斑场中的涡旋在光学涡旋中最为复杂和最具代表性，在光学奇异的研究中具有引领作用。近年来，已有文献研究了强散射体产生的菲涅耳极深区中的相位涡旋现象，但是关于弱散射体在菲涅耳极深区产生的相位涡旋随样品粗糙度和散射距离的演化还未见报道；另外单色光入射时弱散射体在菲涅耳极深区产生的散斑场的光强分布特征，相位分布特征与散射表面的对应关系及其统计特性随样品粗糙度和散射距离的演化还未见报道；白光入射时弱散射体在菲涅耳极深区产生的散斑场的光强分布特征与散射表面的对应关系及其统计特性随样品粗糙度和散射距离的演化还未见报道。本论文运用实验和数值模拟方法系统研究了上述问题。结果表明菲涅耳极深区的散斑强度，相位，相位涡旋及其统计特性与散射表面的特性皆密切相关。本论文对于认识弱散射体产生的菲涅耳极深区散斑场具有重要意义，对于根据菲涅耳极深区散斑场的特性探测散射表面信息有一定的帮助。本论文首先制作了不同粗糙度的随机散射屏样品，设计了获得菲涅耳极深区散斑场的实验系统，利用CCD记录了不同样品在菲涅耳极深区不同散射距离的参考光与散斑场相干涉后的光强分布，运用傅立叶变换方法成功提取了不同样品在菲涅耳极深区不同散射距离的散斑场，讨论分析了菲涅耳极深区散斑光强，散斑相位、相位涡旋及其统计特性随样品粗糙度和散射距离的演化；根据基尔霍夫近似理论和格林函数推导了数值模拟菲涅耳极深区散斑场的公式，数值计算了不同粗糙度样品在菲涅耳极深区不同散射距离的散斑场。讨论分析了散斑光强、散斑相位与样品形貌的关系，并将数值计算的散斑光强、散斑相位以及相位涡旋的统计特性与实验结果进行了比较；数值计算了红绿蓝三种不同波长的入射光经一弱散射屏散射后在菲涅耳极深区不同散射距离产生的散斑场，讨论分析了入射光波长对于菲涅耳极深区散斑强度、散斑相位、相位涡旋及其统计特性的影响；推导了白光入射时数值计算菲涅耳极深区散斑场的公式，数值计算了不同粗糙度样品在菲涅耳极深区不同散射距离的白光散斑，讨论了白光散斑光强分布与样品形貌的关系，统计分析了白光散斑分布特征及其统计特性随样品粗糙度和散射距离的演化。本论文内容共分七章，具体内容如下。第一章综合性描述了随机表面的描述方法、随机表面参量及其高度的统计函数；散斑场的形成、散斑应用及光散射理论；相位涡旋的定义、研究历史、相位涡旋符号的定义方法及其周围等光强曲线离心率的计算方法；利用干涉图样的傅立叶分析法提取散斑场的原理。第二章制作了不同粗糙度的弱散射样品；搭建了获取菲涅耳极深区散斑的实验装置；记录了不同样品在菲涅耳极深区不同散射距离的散斑场与参考光的干涉强度分布；利用傅立变化方法提取了弱散射体在菲涅耳极深区产生的散斑相位；发现当散射距离一定时，随弱散射体粗糙度的增大相位随机起伏越来越剧烈，相位分布越来越均匀，对于某一确定的弱散射体，随散射距离的增大，相位随机起伏越来越剧烈，相位分布越来越均匀；讨论了菲涅耳极深区散斑相位涡旋随散射体的粗糙度和散射距离的演化，发现弱散射体的粗糙度很小时，不会有相位涡旋产生，散射体表面上存在相位涡旋，对于粗糙度较大的弱散射体，散射距离一定时，随弱散射体粗糙度增大，相位涡旋的平均密度增大，对于某一确定的粗糙度较大的弱散射体，随散射距离增大相位涡旋的平均密度逐渐变大，并对其成因作了定性解释。第三章根据基尔霍夫近似理论数值模拟了不同粗糙度样品在菲涅耳极深区不同散射距离处的散斑光强分布。统计分析了散斑光强的概率密度和对比度的演化。发现对于较强的散射屏存在一散射距离处的散斑光强分布特征与该样品表面高度分布特征相似的有趣现象；其次，同一散射距离处，散斑光强的分布特征，散斑光强的概率密度和对比度随样品粗糙度的变化而变化；另外，对于同一样品，随散射距离增大，散斑光强的分布特征，散斑光强的概率密度和对比度随散射距离的变化而变化。最后将数值计算的结果与实验结果做了比较并定性讨论分析了结果。第四章数值计算了三个样品在菲涅耳极深区不同散射距离的相位分布。讨论分析了菲涅耳极深区散斑相位分布与样品形貌的对应关系。发现对于表面高度起伏小于一个波长的弱散射表面，极靠近其界面的散斑场相位分布能够较好的反应其高度分布的现象；然后分别讨论了菲涅耳极深区散斑相位，相位涡旋随样品粗糙度和散射距离的演化并与实验结果进行了比较，结果表明数值模拟的结果与实验结果吻合较好。第五章数值计算了红绿蓝三种波长的入射光在散射距离z2μm位置的散斑光强分布以及散斑相位分布。统计分析了散斑光强的概率密度，对比度以及相位概率密度和相位涡旋密度随波长的变化，并对该变化做了定性分析。另外还讨论了入射光波长的变化对于散斑场相位分布与样品形貌对应关系的影响。第六章给出了数值计算菲涅耳极深区白光散斑场的计算公式；数值计算了三个不同粗糙度样品在菲涅耳极深区不同散射距离的白光散斑场。讨论了菲涅耳极深区白光散斑光强分布特征随粗糙度和散射距离的演化，发现对于较强的散射屏存在一散射距离处的散斑光强的条带状结构与样品表面高度分布中的“脊”清楚相对应的现象；讨论了菲涅耳极深区白光散斑概率密度和对比度随样品粗糙度和散射距离的演化，结果还表明：当散射距离一定时，菲涅耳极深区白光散斑的概率密度、对比度随样品粗糙度的变化而变化；当样品一定时，菲涅耳极深区白光散斑的概率密度和对比度随散射距离的变化而变化。文章还分析了菲涅耳极深区白光散斑光强及其统计特性演化的机理并与实验记录的菲涅耳极深区白光散斑进行了比较，结果表明数值模拟的结果与实验结果比较一致。第七章总结了本学位论文的主要成果并简单介绍了有待要进行的研究工作。
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