光波经半硬边介质散射的统计光学特性研究

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光波入射到非均匀介质上时,一部分光波会向四面八方散开,这种现象称为光波散射。迄今为止,光波散射理论研究取得了较大进展。一方面,研究人员将入射光波从平面光波扩展到各种常见的光波,如多色波、球面波、部分相干光,及脉冲光等;另一方面,研究人员将散射介质扩展到多种介质,如确定性介质、多粒子介质、空心介质,及准均匀随机介质等。光波散射现象因其丰富的物理特性以及在光通信、成像等方面有着巨大的发展潜力吸引了广大研究人员的关注。光波散射研究中特别令人感兴趣的是散射介质的边界折射率变化对散射光场统计特性的影响,散射介质边界折射率的不连续性会对电磁散射产生重要影响。半硬边介质是最近被提出的一种新型散射介质,具有中心折射率不变和边缘折射率可调的特征。截至目前,光波经由半硬边介质散射的研究还很少。在此背景下,本论文在一阶Born近似条件下,研究多种类型光波经半硬边介质的散射规律,着重探究散射介质的边界折射率变化对散射光场的统计特性的影响。主要研究如下:(1)研究平面光波经由半硬边介质和多高斯—谢尔模型介质的散射规律,并进行了详细比较。在一阶Born近似的条件下,推导得到平面光波经这两种介质散射后光场的光谱密度表达式,分析了两种散射介质的求和指数、有效半径、及相干长度的变化对散射光场的光谱密度分布的影响。结果显示,散射光场的光谱密度与散射介质的相关参数密切相关,值得注意的是,经半硬边介质散射的光谱呈现出多条干涉条纹,而经多高斯分布介质散射的光谱不呈现干涉条纹。该研究工作所得的结果可望为反演散射介质的结构信息提供理论依据。(2)将半硬边介质的散射研究从平面光波扩展到具有特殊空间相关结构的部分相关光,研究广义多高斯关联部分相干光经半硬边介质的散射规律。在一阶Born近似的条件下,推导得到该光束经半硬边介质散射后的散射光场的光谱密度解析表达式,具体分析了半硬边介质的求和指数、有效半径,广义多高斯关联部分相干光的光源半径、相干长度、及光束阶数的变化对散射光场的光谱密度分布的影响情况。结果表明,散射光场的光谱密度随散射角增大而单调递减,当光源和介质相关参数发生变化时,其衰减率会发生变化。(3)将半硬边介质的散射特性研究从稳态光束扩展到脉冲光束,研究余弦高斯关联谢尔模型脉冲光经半硬边介质的散射规律,在一阶Born近似的条件下,推导得到散射光场的光谱密度和时间相干度的解析表达式,具体分析了该光束的余弦阶数,脉冲宽度,时间相干长度和半硬边的求和指数,有效半径的变化对散射光场的时间相干度和光谱密度分布的影响。结果表明,散射光场的光谱密度随散射角增大而单调递减,散射光场的时间相干度随时间差的变化呈震荡分布。所得结果该将丰富脉冲光束的散射理论,并为推导半硬边介质的结构信息提供参考意义。
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