伪模调控cosine伪谢尔关联光束及模式平移成像研究

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随机涨落是所有光场的基本特征,而描述光场涨落统计的基本理论是光学相干理论。自上世纪50年代被提出以来,光学相干已经发展成为现代光学(包括经典和量子)最重要的基本理论之一。相干作为光场极为重要的内禀参量,具有时间和空间两方面属性,分别影响光场的单色性和方向性。高空间相干激光在很多领域大放异彩,并成为人们对激光最基本的认知。然而,高空间相干也会带来有害影响,如相干伪影和成像串扰问题,严重影响激光在成像和显示、材料处理、光刻、全息、光操控以及惯性约束核聚变等领域应用。激光相干性优化和控制成为越来越多光科学及技术开发所必须面临的课题。本论文创新性的深入研究了非均匀关联光束的设计理论及实验方法,并在此基础上拓展部分相干光束传输及成像方面基础应用。取得成果包括以下几个方面:基于光的相干基本理论,借助设计真实交叉谱密度(CSD)函数的充分条件,理论设计了一类非常规具有圆形相干的部分相干非均匀余弦伪谢尔模(CPSM)型光束,并在试验上高质量生成了这类光束,此外,还深入探讨了源场各光参数对光束传输特性的影响机理及特点。研究发现光束会在传输过程中出现由圆形相干引起的异常自聚焦现象,且这种现象在相干度很低的情况下依然存在;借助余弦函数与参数控制实现了焦场光强整形,得到了高斯、平顶以及甜甜圈的光强分布。这种基于相干结构调控的新颖光束整形方法在激光加工、材料处理方面具有广泛应用。通过拓展相干结构调控,我们提出了基于相干结构调控的部分相干光束成像方法。通过相干结构调控成像分辨率与相干光相位调控成像完全一致,且鲁棒性更高,在应用中更具实际价值。扭曲相位是部分相干光所特有一类两点交叉关联相位,其大小由相干性所决定。我们在矢量理论基础上研究提出了基于关联结构调控的自分裂径向偏振扭曲阵列光束设计方法,通过数值模拟研究这种阵列光束的矢量传输特性。发现了由相干结构引起的光束自分裂现象,由于扭曲因子的存在,光强和偏振态会在焦面旋转90°,且旋转速度与扭曲因子的大小有关。相关实验有待进一步验证。扭曲光束携带有轨道角动量,在光与物质相互作用方面具有广泛应用价值。
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