光的相干和偏振相关性的实验研究

论文摘要

光的相干和偏振是统计光学体系中紧密联系的两个方面。相干偏振统一理论为研究随机电磁光束传输中的统计光学特性提供了一条更精确、层次更高的新途径。本文对交叉谱密度矩阵进行了介绍,建立了随机电磁光束的传输模型,以此为基础对多孔干涉和复杂光学系统的传输特性进行了探索,并对相干和偏振的相关性进行了实验研究。主要内容包括以下几个方面:一、介绍了交叉谱密度矩阵的定义、传输法则及应用。利用交叉谱密度矩阵建立了随机电磁光束通过双孔干涉、多孔干涉、自由空间、大气湍流以及聚焦光学系统的传输模型,推导得到了传输中交叉谱密度矩阵元的解析表达式。二、通过数值模拟和理论计算,研究了各向同性随机电磁光束在双孔干涉条件下的传输特性,推导得到了稳定偏振度的解析表达式,并对光的相干和偏振的相关性进行了研究。接着分析了三孔干涉的传输特性,比较了其与双孔干涉的不同。三、通过数值模拟和理论计算,研究了各向异性随机电磁光束通过自由空间、大气湍流和聚焦光学系统的传输特性;推导得到了稳定偏振度的解析表达式;比较了自由空间传输和大气湍流传输的不同;在聚焦光学系统中,焦点位置上的光谱偏振度等于自由空间传输时的稳定偏振度,并给出了证明。研究还给出并证明了完全偏振和完全非偏振随机电磁光束在传输中保持光谱偏振度不变的普适条件以及光束通过聚焦光学系统后传输平面实现光谱偏振度均匀分布的条件。四、介绍了实验室构造高斯—谢尔模光束的方法,指出了实验系统中各器件的作用。利用CCD测量了光谱密度相对值以及光谱相干度,采用拟合的方法得到了交叉谱密度矩阵。采用不同的方法测量光束起始面内的光谱偏振度,与利用交叉谱密度矩阵计算得到的结果比较,证明了测量交叉谱密度矩阵的方法是可靠的。五、将两束不同的He-Ne激光合束,构造了“非偏振”的高斯—谢尔模光束,并测量了该光束的交叉谱密度矩阵。测量光束起始面内的光谱偏振度、光谱相干度和轴上固定点的光谱偏振度,说明光谱偏振度在传输中是变化的,并探索了光的相干和偏振的相关性。文中还分析了造成实验误差的原因,并对实验结果进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要内容及结构安排
• 第二章 随机电磁光束的传输模型及数值模拟
• 2.1 相干偏振统一理论的理论基础
• 2.1.1 交叉谱密度矩阵的定义
• 2.1.2 交叉谱密度矩阵的传输
• 2.1.3 相干性和偏振性之间的联系
• 2.2 随机电磁光束在双孔干涉条件下的传输模型
• 2.2.1 理论模型
• 2.2.2 数值模拟
• 2.2.3 多孔干涉条件下的模型推广
• 2.3 随机电磁光束通过复杂光学系统的传输模型
• 2.3.1 理论模型
• 2.3.2 随机电磁光束通过自由空间的传输特性
• 2.3.3 随机电磁光束通过大气湍流的传输特性
• 2.3.4 随机电磁光束通过聚焦光学系统的传输特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 相干和偏振相关性的实验研究
• 3.1 交叉谱密度矩阵的测量
• 3.1.1 高斯—谢尔模光束的产生
• 3.1.2 实验思路
• 3.1.3 光谱密度的测量与光束参数的拟合
• 3.1.4 光谱相干度的测量与光束参数的拟合
• 3.2 交叉谱密度矩阵测量方法的可靠性验证
• 3.2.1 光谱偏振度的计算方法
• 3.2.2 光谱偏振度的测量方法
• 3.2.3 交叉谱密度矩阵测量方法的可靠性验证
• 3.3 相干和偏振相关性的实验研究
• 3.3.1 实验思路
• 3.3.2 实验测量及结果分析
• 3.3.3 讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果