高斯相关随机表面光散射散斑场相位奇异及其特性的理论研究

通过对二维高斯相关随机表面在远场平面上产生的散斑场及其相位的计算模拟, 发现在某一平面上除了实部零值线与虚部零值线有传统相交之外, 还有相切和重合的情况.切点和重合线也可以形成相位奇异, 并且其周围相位分布与传统的实部零值线与虚部零值线相交形成的奇点周围相位的螺旋变化不同, 呈现出对称性和不连续性的特征. 随着光波的传播, 在不同的观察面上散斑场复振幅的实部零值线和虚部零值线的相对位置经历了由相切到重合再到相交的演变过程, 相位奇异现象也随之发生变化. 关键词： 相位奇异 相位跃变 散斑场     

大散射角散斑场中有关相位奇异新特性的研究

利用散斑场和参考光的干涉提取散斑场复振幅和相位, 研究了不同散射角下散斑场相位的分布规律以及相位奇异处光波复振幅实部零值线和虚部零值线夹角、光强等值线离心率的统计特性. 在大散射角散斑中发现了一种新的相位奇异现象, 即相位奇异线; 研究了相位在跨越奇异线时的突变规律及涡旋状相位的分布特征, 发现在相位奇异线处存在着呈双曲线或抛物线状的光强等值线.     

散斑场相位涡旋及其传播特性的实验研究

用CCD记录散斑场和参考光的干涉图样, 利用傅里叶变换法实现了散斑场复振幅以及相位分布的实验提取, 在复振幅实部零值线和虚部零值线切点处出现一种新的相位奇点, 与两条零值线交点处的传统相位奇点周围单调螺旋变化的相位分布不同, 绕切点一周的相位具有先增大后减小几乎呈对称性分布的特性, 为了解释这种新的相位奇点,提出了准孪生相位涡旋的概念. 在理论研究散斑场强度的纵向自相关函数的基础上, 实验观察散斑场相位涡旋的传播, 发现在光强纵向相关长度范围内的不同传播距离处的观察面上, 复振幅实部和虚部随机变化而涡旋的 关键词： 相位涡旋 散斑 干涉     

四孔径衍射屏在近场形成的光强分布及拓扑荷

利用基尔霍夫衍射理论计算模拟了四圆孔径衍射屏在菲涅耳深区形成的衍射光场的强度、零值线和相位的分布,发现衍射光场亮斑关于中心呈对称分布,在距离衍射屏较近的观察面上,光强值为零的点组成光强零值线段,该线段上光强等值线的离心率都接近或等于1,其两侧的光强值变化非常剧烈。复振幅的实部和虚部零值线多为封闭的曲线,零值线交叉点的个数为偶数,并且正负相位奇异点的个数相等。特殊相位奇异点周围的相位不仅呈对称分布,而且该点的拓扑荷的值近似为零。随着光波的传播,在不同的观察面上光强零值线段逐渐变短,最终趋于一点。     

利用干涉光场的相位涡旋测量拉盖尔-高斯光束的轨道角动量

对拉盖尔-高斯光束经多圆孔衍射屏在远场平面上形成的干涉光场的相位和零值线进行了计算模拟.当入射光束的轨道角动量量子数为零时,实部零值线与虚部零值线在干涉光场中心点不相交,因而在该点上不能形成相位涡旋.当入射光束的轨道角动量量子数为+1和-1时,实部零值线与虚部零值线在干涉光场中心垂直并相交,干涉光场相应位置处的相位涡旋的符号相反.当入射光束的轨道角动量量子数为±2和±3时,有四条零值线相交于干涉光场的中心点上,并且实部零值线和虚部零值线交替分布,该交点处形成的相位涡旋的拓扑荷的值恰好与拉盖尔-高斯光束的轨道角动量量子数相等.这种结果可以用来测量涡旋光束的轨道角动量.     

水下高斯界面背向散射超声散斑场的相位奇异

为了精确描述超声散斑场的特性,提出了采用计算机模拟产生超声散斑场的方法.利用模拟产生的高斯相关随机表面,获得了这类表面远场超声散斑场,同时得到了声强分布和相位分布.与实验产生的散斑场进行对比,建立了超声散斑场接收的实验系统,取与计算模拟相同的参数,获得了实验散斑场.通过对比发现:计算机模拟产生的超声散斑场相位存在奇异点,奇异点周围相位分布类似漩涡,计算机模拟产生的散斑场与实验得到的散斑场强度分布相似,强度值比实验产生的散斑场强度大,携带有用信息的高亮散斑较多,暗点较少,更利于研究和分析.     

强散射体产生的像面散斑对比度与随机表面及成像系统关系的研究

在对4f光学成像系统中强散射体形成的像面散斑的统计特性的研究中, 首先通过散斑场光波复振幅的一般形式和双重指数函数近似求出散斑光强的系综平均, 然后利用散斑场光波复振幅的实部和虚部的旋转变换法求出散斑光强的方差, 最后得出了散斑对比度与随机表面统计参量和系统参量的直接表达式. 本结果与现有文献中包含随机表面相关面积或散射粒子数目的隐含表达式相比具有明显的改进, 并对标定随机表面的散斑对比度法具有重要意义. 关键词： 随机表面 像面散斑 对比度     

时间序列散斑干涉场中相位函数的计算

散斑干涉或电子散斑干涉计量应用于连续运动或变形物体时,就会产生一个时变的散斑干涉场,通过摄像系统连续地采集这一时变散斑场,可获得一系列时间序列散斑干涉图,通过对序列散斑图上各点在时间轴上光强值的变化进行分析,提出了一种基于时间序列的分析方法,用以提取干涉场的相位值,进而获得物体全场变形信息。     

多模光纤散斑场的纵向偏振调控

相干光经过多模光纤传输,在出射端形成一个随机的散斑场。对于非保偏多模光纤,还将出现退偏现象,使得入射的线偏振光不再保持线偏振分布。因此,非保偏多模光纤散斑场的随机性不仅表现在光强方面,也表现在偏振方面。基于反馈波前整形技术,实现了对多模光纤出射端无序散斑场的光强和偏振的调控,获得了光强集中的聚焦线,并且可以有效控制聚焦线的偏振分布。     

高斯相关随机表面及其光散射散斑场的模拟产生和光强概率分析

提出了模拟产生高斯相关随机表面的方法,并模拟产生了这类表面在夫琅禾费面上产生的散斑场.以模拟产生的10000个随机表面作为表面样本系综,对具有不同粗糙度和横向相关长度的表面系综在夫琅禾费面上各点产生的散斑光强系综的概率密度分布进行了分析.发现：(1)散斑场的高斯和非高斯特性在空间上按一定的区域分布,并非整幅散斑图皆为高斯或非高斯散斑;(2)散射表面只包含少数散射颗粒时也可以形成高斯散斑. 关键词：     

Phase singularities of nonparaxial cosh-Gaussian vortex beams diffracted by a rectangular aperture

Analytical expression for the propagation of nonparaxial cosh-Gaussian (ChG) beams diffracted by a rectangular aperture is derived based on the vector Rayleigh-Sommerfeld diffraction integrals and expansion of the aperture window function into a finite sum of complex Gaussian functions, and used to study the phase singularities of nonparaxial diffracted ChG vortex beams. The pair creation, annihilation, motion of phase singularities in the diffracted field and the dependence of position and number of phase singularities on the aperture and beam parameters, as well as on the beam nonparaxiality are illustrated by numerical examples.     

Intensity and phase distribution in deep Fresnel diffraction region generated by multi-pinhole aperture

The Kirchhoff diffraction theory is applied to the multi-pinhole aperture diffraction screens, and the intensity, the zero-contour of the real and imaginary parts of complex amplitude and the phase distribution in deep Fresnel diffraction region are simulated. It is found that the number of bright spots, the zero-contours of the real and imaginary parts of complex amplitude and the phase singularities are all related to number of pinholes in diffraction screens. The brightness of bright spots in center of each pattern would become larger with increasing number of pinholes. In addition, there are many lines, on which the intensity value is close to 0.     

Phase anomaly and phase singularities of the field in the focal region of high-numerical aperture systems

The phase behavior of the three Cartesian components of the electric field in the focal region of a high-numerical aperture focusing system is studied. The Gouy phase anomaly and the occurence of phase singularities are examined in detail. It is found that the three field components exhibit different behaviors.     

异常空心光束通过球差光阑透镜的聚焦和在焦区的位相奇异特性

研究了用德拜公式对异常空心这类新型光束经过光阑透镜后的聚焦特性.结果表明,异常空心光束的形状一般不能保持传输不变性,但选择合适的截断参数和球差异常空心光束在一定位置可保持其初始光强分布近似不变.在焦区位相奇点会出现移动、产生和湮灭,并与截断参数、球差和光阑透镜半角有关.当无球差时,出现鞍点,奇点对的湮灭过程与鞍点对湮灭相伴发生,导致亚波长结构.用计算例对结果做了说明,并与文献中已有工作做了比较. 关键词： 异常空心光束 球差光阑透镜 位相奇点     

经光阑衍射的平顶涡旋光束位相奇点的演化特性

推导出了平顶涡旋光束通过有光阑ABCD光学系统的传输解析式,并以光阑透镜和矩形光阑系统为例,与平顶光束比较研究了截断参量、相对离轴距离和光束阶数对衍射场中位相奇点演化特性的影响.数值计算表明,平顶涡旋光束通过上述光学系统均存在位相奇点,即使源处涡旋被光阑阻拦时,衍射场中也会出现位相奇点;而平顶光束通过光阑透镜系统存在刃型位错,随着截断参量增大,会发生刃型位错的演化和湮灭现象,且平顶光束通过矩形光阑系统没有发现位相奇点.     

经光阑衍射的平顶涡旋光束位相奇点的演化特性

推导出了平顶涡旋光束通过有光阑ABCD光学系统的传输解析式,并以光阑透镜和矩形光阑系统为例,与平顶光束比较研究了截断参量、相对离轴距离和光束阶数对衍射场中位相奇点演化特性的影响.数值计算表明,平顶涡旋光束通过上述光学系统均存在位相奇点,即使源处涡旋被光阑阻拦时,衍射场中也会出现位相奇点;而平顶光束通过光阑透镜系统存在刃型位错,随着截断参量增大,会发生刃型位错的演化和湮灭现象,且平顶光束通过矩形光阑系统没有发现位相奇点.     

离轴高斯涡旋光束的深聚焦特性

基于德拜矢量衍射积分理论,对离轴高斯涡旋光束经过大数值孔径透镜后聚焦场的特性进行了研究,获得了离轴高斯涡旋光束深聚焦后复振幅分布函数,在此基础上对离轴高斯涡旋光束深聚焦场的光强和相位分别进行了分析.数值模拟结果表明:离轴距离的改变对高斯涡旋光束在焦平面上的光强分布和相位分布会产生影响,离轴距离的增加会加剧聚焦场光强在y轴方向上分布的差异,而离轴距离的符号决定了光强集中区域的方向.另一方面,与一阶离轴涡旋光束不同,高阶离轴涡旋光束经过深聚焦后会发生暗核分裂现象,出现多个相位奇点,奇点个数等于原始光束对应的拓扑荷数,且分裂后的奇点具有明显的对称性.研究表明,这种暗核分裂现象由大数值孔径透镜深聚焦引起.