超短脉冲电磁光束经介质散射的统计光学特性研究

Statistical optics properties of light scattering is a fundamental subject with wide concern in modern optics. In this project, with the use of the coherence theory of non-stationary light and the matrix optics theory, the statistical optics properties of ultrashort electromagnetic pulsed beams scattered by media are investigated. The mathematical physics model and treatment method of ultrashort electromagnetic pulsed beams scattered by media are founded in the framework of vector. The evolution of property of statistical optics of ultrashort electromagnetic pulsed beams scattered by media, such as coherence, polarization and spectrum, etc. is studied. The condition of spectral anomalies and spectral switches in the neighborhood of phase singularities in the scattered field of pulsed beams is discussed. The medium information and inherent relation between the scattered field and the scatterer are obtained by using the changes of coherence, polarization and spectrum of ultrashort electromagnetic pulsed beams scattered by media. The physical mechanism of the interaction between medium and ultrashort electromagnetic pulsed beam is revealed. The results obtained will provide theoretical support for exploring the new applications of ultrashort electromagnetic pulsed beams in material detection, information acquisition, fiber communication, optical remote sensing, biological medicine, etc.

光散射现象的统计光学特性研究是现代光学中备受关注的一个基础性学术研究课题。该项目拟采用非稳态场的相干理论和矩阵光学理论相结合的方法，研究超短脉冲电磁光束经介质散射的统计光学特性。建立矢量框架下超短脉冲电磁光束经介质散射的数学物理模型和理论处理方法；研究超短脉冲电磁光束经介质散射后相干度、偏振度和光谱强度等统计光学特性的演化规律；探讨散射场出现位相奇点及其附近产生光谱异常和光谱开关的条件；通过超短脉冲电磁光束经介质散射后场相干度、偏振分布和光谱强度的变化规律获取介质的信息，得到散射体和散射场的互易关系；揭示超短脉冲电磁光束与介质相互作用的物理机制，为探索超短脉冲电磁光束在材料探测、信息获取、光纤通讯、光学遥感、生物医学等领域中的新应用提供理论依据。

经典光散射理论往往基于入射光为单色光的前提假设，但实际的电磁光场会伴有随机性的涨落，绝对的单色光是不存在的，这导致了经典光散射理论的局限性。近年来，以统计光学为基础的部分相干光理论发展迅速，并逐渐应用到光散射问题研究上，为光经介质散射统计光学特性的研究提供了一个新方法。.该项目研究了超短脉冲电磁光束经介质散射的统计光学特性，给出了超短脉冲电磁光束经介质散射后光谱强度、相干度和偏振度的演化规律，揭示了超短脉冲电磁光束与介质相互作用的物理机制。主要研究内容有：（1）超短脉冲电磁光束经随机介质散射的统计光学特性，研究表明：不同于各向同性介质情况，超短脉冲电磁光束经各向异性介质散射后的光谱密度和相干度分布具有不对称性，脉冲时间相干长度随散射角的增加先减小后增大，演化规律取决于介质特性和入射脉冲参数，当散射角等于零时，散射场的偏振度与入射脉冲宽度、时间相干长度以及介质的相干长度无关。（2）超短脉冲电磁光束经确定介质散射的统计光学特性，研究了超短脉冲电磁光束经半软边界介质球的散射特性，给出了远场处散射光场的强度和相干度的变化规律，分析了阶数M、脉冲宽度、时间相干长度和介质球半径对散射光场的强度和相干度的影响。（3）研究了超短脉冲电磁光束经随机介质和确定介质中的逆问题，通过测量散射场相干度、偏振分布和光谱强度的变化规律获得了随机介质的有效半径、空间相干长度和和球形介质物理参数等信息。（4）研究了超短脉冲电磁光束和稳态电磁光束通过随机介质的相关奇点的演化特性，推导出了电磁光束的环形位错的解析表达式，研究发现，环形位错的半径依赖于空间相关长度、湍流介质和传输距离。随着空间相干性的增强，环形半径先增大后减小，随着湍流强度的增加，环形半径逐渐减小；研究了超短脉冲电磁光束经介质散射的光谱开关，发现散射场出现光谱蓝移，没有出现光谱开关。以上研究成果为超短脉冲电磁光束在强场物理、光纤通讯、光学遥感、材料探测、信息获取、医学诊断等领域的应用提供了理论参考。