激光光束经过散射介质的光场特性研究

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1、学校代码：10385分类号：研究生学号：1300208014密级：激光光束经过散射介质的光场特性研究InvestigationonthePropertiesofOpticalFieldProducedbyLaserBeamsthroughScatteringMedia作者姓名：刘绩林指导教师：蒲继雄教授学科：光学工程研究方向：光束传输与变换所在学院：信息科学与工程学院论文提交日期：二零一六年六月一日摘要本学位论文中，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

2、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

3、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

4、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

5、和分辨率测试靶基片）I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IIAbstractThisthesisisconcentratedontheresearchofthepropertiesofopticalfi

6、eldaslaserbeampropagatesthroughscatteringmedia.Thespecklefieldformedbytheinteractionoflaserbeamandscatteringmediaisstudied.Thespecklephenomenonhasbeenfoundformanyyearsbuthasnotbeentakenseriouslyduetothetechnologylimitationatthattime.Withtherapiddevelopmentofsc

7、ienceandtechnology,especiallythebreakthroughandinnovationinlasertechnology,thespeciallaserbeamshaveplayedmostimportantroleinmodernopticstechnologies,whichgreatlypromotestheresearchoftheopticalspeckle,andthisstimulatestheinterestingforstudyingthebehaviorsofthes

8、peckleproducedbypassingthroughthespeciallaserbeamsthroughthescatteringmedia.Aspecklepatternwillcomeintobeingundertheeffectofmultiplescatteringwhenlaserbeamspassthroughscatteringmed