干涉和散射中随机光场的统计特性研究

干涉和散射中随机光场的统计特性研究对光束在自由空间中传输和在随机介质中散射后的相干偏振特性的研究在众多应用领域中逐渐体现出重要的地位,例如空间通信、生物医学、光学遥感监测、环境监测、光学成像、材料检测等。随着相干偏振理论的建立并利用该理论来分析光束传播和散射问题,国内外研究者取得了众多令人瞩目的成果,从而开拓了一个以研究光场的统计特性为主要方向的领域。而在这些研究中,对于光场的光谱和偏振的变化规律还有待进一步的探讨,与此同时,散射过程中往往采用数学上形式较为简单的随机介质和入射光场,而对更加复杂的散射介质和入射光缺乏系统的研究。本文针对这些问题并在相干偏振统一理论和弱散射理论的基础框架下,对双缝干涉光场的统计特性、各向异性粒子群介质的散射特性、准均匀光源和准均匀介质的特性、散射场的偏振特性以及偏振调制的方法等方面展开研究。对双缝干涉场的研究主要针对双缝干涉场的相干和偏振特性进行展开。首先根据随机电磁场的相干和偏振理论,建立双缝干涉场交叉谱密度和双缝处入射光场的解析关系;接下来对传统的交叉谱纯的概念进行扩展,研究干涉场中Stokes参量保持不变的条件,即Stokes参量的交叉谱纯,并推导出这种情况下双缝两点处的相干度应满足的条件;应用统计相似的概念,给出了Stokes参量交叉谱纯和完全相干的关系。随后从偏振的角度出发,分析研究在双缝干涉的过程中,干涉场偏振态和偏振度保持不变的条件,推演出部分偏振不变时双缝处交叉谱密度矩阵所满足的条件;在此基础之上,结合统计相似的概念,探讨部分偏振不变和完全相干的关系,并得出在严格的Stokes参量交叉谱纯的条件下,两种谱纯特性之间的联系。基于相干偏振统一理论和电磁场弱散射理论,对随机光场通过随机介质后的散射特性展开研究,具体集中在对各向异性粒子群介质和准均匀介质的研究上。首先考虑更为复杂的随机介质,结合各向异性连续介质和粒子介质的模型,提出各向异性粒子群介质的散射势物理模型;根据散射势模型和弱散射理论方程,推导出平面电磁波通过各向异性粒子群介质的散射远场交叉谱密度矩阵的解析表达式;通过理论分析和模拟,发现入射光的偏振特性、散射介质单个粒子散射势以及粒子群的分布对散射场的相干特性都有不可忽视的影响。随后考虑更具有一般代表性的准均匀光源的辐射远场和双缝干涉场作为入射场,在一阶波恩近似的条件下,分别推演出两者经过准均匀介质后的散射远场的交叉谱密度表达式;通过数学分析推导,对两种散射远场的光谱密度进行研究,提出散射远场光谱密度保持各向异性的条件,即标度定律。此外,利用矩阵和张量的形式表示了平面电磁场通过各向异性介质的散射场交叉谱密度矩阵,并在此基础之上,对三维散射场的偏振特性进行研究;通过将三维直角坐标系下表示的三维散射场转换到球坐标系,在二维的平面内,更加直观地表示出散射场偏振度和偏振态的分布情况;通过对各个介质参数选取不同的值,发现各介质参数对散射场偏振的影响是截然不同的。基于对非均匀偏振场的认识,对偏振中存在的两种奇异,即偏振奇异和偏振度奇异展开讨论。通过数学推导和演绎,得出在特定的条件下两种奇异相互转化的关系;利用所得到的关系,推导出偏振度和光场强度的关系。利用计算机仿真,模拟出所需要的偏振度和光强;设计