【摘 要】
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在新的时代背景下,为了满足各种应用场景下的多样化光场需求,新型光场调控逐渐成为一大研究趋势。2017年,国家自然科学基金委把“新型光场调控物理及应用”列为了重大研究计划,掀起了国内光场调控热潮。光场调控旨在对光场的空域、时域、频域等多维度进行联合调控,以产生具有特殊性能的新型光场。空间相干性调控是光场调控的手段之一,通过调控光束的空间关联结构,可以得到具有各种特殊传输性质的光束,如光强呈现平顶、空
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在新的时代背景下,为了满足各种应用场景下的多样化光场需求,新型光场调控逐渐成为一大研究趋势。2017年,国家自然科学基金委把“新型光场调控物理及应用”列为了重大研究计划,掀起了国内光场调控热潮。光场调控旨在对光场的空域、时域、频域等多维度进行联合调控,以产生具有特殊性能的新型光场。空间相干性调控是光场调控的手段之一,通过调控光束的空间关联结构,可以得到具有各种特殊传输性质的光束,如光强呈现平顶、空心、阵列等特殊分布,或展现出自整形、自偏移、自聚焦、自分裂、自愈合等性质。这些性质使得具有特殊空间关联结构的光束在光束整形、光通信、微粒俘获、光学成像、二次谐波产生、材料加工等众多领域具有重要的应用前景。本论文是围绕具有特殊空间关联结构的部分相干光束展开的理论研究。主要是提出了一类非均匀关联的部分相干阵列光束,并进行了传输特性研究;以及选取了一类均匀关联的部分相干光束,用其实现了瑞利衍射极限突破,并应用到微位移测量场景。首先,介绍了光场调控、部分相干光、特殊空间关联光束及其在大气湍流中传输的研究背景;以及部分相干光、标量及矢量特殊空间关联光束的构建方法和部分相干光束在自由空间及大气湍流中传输的基础理论知识。然后,提出了一类非均匀关联的部分相干光束模型——厄米非均匀关联阵列光束。基于广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了其在光源平面和传输过程中的交叉谱密度及相干度表达式,并对其在自由空间和大气湍流中的传输特性进行了理论研究。结果表明,该光束具有多重自聚焦性质,能够形成可控的阵列分布;通过调整初始光束参数(光束阶数、位移参数、阵列参数和相干长度)可以有效地抵抗湍流引起的光强和相干度退化。最后,研究了一类均匀关联的部分相干光束——复高斯关联光束作为照明光源对四个对称针孔经过4-f系统的成像过程,推导了探测平面上的光强表达式,并模拟了光强分布。此外,提出了一种将其用于光学位移测量的方法。结果表明,调控复高斯关联光束的关联结构可以克服经典瑞利衍射极限,四个对称针孔的最小分辨距离至少可以达到瑞利衍射极限的0.05倍,并且这类光束可用于测量低于瑞利衍射极限的位移。
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