偏振散斑的时空相干性的分析和应用

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长期以来,激光散斑及其统计特性的研究一直是物理光学领域的一个重要课题,并因其在生物医学、国防航天、遥感探测以及光学测量等领域的广泛应用而受到关注,但在过去对于激光散斑现象的研究中,这些随机光场大多被视为没有偏振信息的标量光场,并且主要关注统计特性以及散斑图案的强度分布的应用,而对于矢量光场在随机介质中散射产生的随机偏振散斑的研究,开拓了一个为以研究光场的统计特性为主要方向的领域,但是在关于偏振散斑这些研究中,对于散斑场在传输过程中相干和偏振特性的变化规律还有待进一步的研究。本文根据相干矩阵研究了各向异性介质的表面偏振散射,探索了偏振散斑场的统计特性与各向异性介质的微观形貌之间的关系,研究了散射表面微观形貌对偏振散斑场的相干和偏振特性的影响。本文对偏振散斑的散射光场的统计特性主要从以下几个方面进行了分析。(1)基于光场的相干和偏振统一理论,将传统的激光散斑及其统计特性的概念拓展到偏振散斑,通过复平面中矢量光场两个偏振分量的随机游走,直观地解释了偏振散斑的产生原因,在考虑光场矢量理论的框架下,用随机光场的时空相关函数来对偏振散斑场的相干性进行描述,并分析了光场在各向异性材料中传播时偏振状态的变化规律。(2)在理论分析的基础上,对双折射散射板产生的静态偏振散斑进行分析,通过假设双折射散射板的随机粗糙表面符合高斯分布,得到由随机粗糙表面对光场引入的相位延迟符合高斯相关,根据光场的传输矩阵原理推导出偏振散斑场的相干矩阵,并根据相干矩阵中的相关函数来研究了偏振散斑场的空间相干和偏振特性的变化规律。(3)通过双折射散射板在面内的运动来引入时间相干性,研究了动态偏振散斑的时空相干性。在静态偏振散斑的基础上,推导了动态散斑场的相干和偏振特性与双折射材料粗糙表面的微观结构之间的关系,并通过仿真分析了不同偏振光入射时表面微观形貌对动态偏振散斑场的相干时间、相干面积、相干度和偏振度的影响。本文通过对偏振散斑的理论和仿真分析,得到了静态偏振散斑和动态偏振散斑的相干和偏振特性的变化规律,研究了偏振散斑场相干度和偏振度的同时降低,这些结果将有助于理解偏振散斑的产生和时空演化,从而促进相关的理论和工业应用。
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