部分相干矢量光束的关联结构调控与传输特性研究

As a new degree of freedom for light manipulation, the correlation structure of partially coherent beams is gradually becoming a focused issue. Partially coherent beams with nonconventional correlation functions have displayed many extraordinary properties, such as self-splitting, self-focusing, and self-shaping, which have potential applications in areas such as free-space optical communications, optical trapping, and beam shaping. Most of the present researches with respect to correlation structure modulation are focused on the scalar fields, whereas the polarization properties which arise from the vector nature of electromagnetic field are ignored. In such a case, lots of important physical information is lost. Therefore, in this project, we will combine correlation structure modulation and vector coherence and polarization theory, introduce new kinds of partially coherent vector beams with nonconventional correlation functions, and investigate the influence of the nonconventional correlation functions on the statistical properties, especially on the polarization properties. Moreover, partially coherent vector beams with nonconventional phase, correlation structure and polarization distribution propagating in random media will be investigated, and negative influence of turbulence will be reduced by adjusting source parameters. These researches have practical significance in long distance optical communication, optical manipulation, biomedical diagnosis, and environmental monitoring.

部分相干光的关联结构作为光场调控的一个新自由度，逐渐成为研究者关注的热点。特殊关联结构引发的自分裂、自聚焦、自整形等一系列新颖的物理效应对于自由空间光通信、微粒俘获、光束整形等领域有重要的应用前景。然而，目前关于关联结构调控的研究大部分局限于标量部分相干光束，即忽略了电磁场的矢量性所引发的光的偏振性质，这无疑会丢失很多重要的物理信息。基于上述原因，本项目中，我们拟将关联结构调控与矢量相干和偏振理论结合起来，构建具有新型关联结构的部分相干矢量光束，研究关联结构对光束的统计特性，尤其是偏振特性的调制作用。此外，研究具有特殊相位、关联结构、偏振分布的部分相干矢量光束在随机介质中的传输特性，并通过调节相应参数来降低湍流带来的不利影响。本项目的研究对于远距离光通信、灵巧光操控、生物医学诊断、环境遥感与监测等领域有重要的应用价值。

近年来，非高斯关联结构引起的新颖的物理效应大大推动了光通信、光学成像、光束整形等领域的发展。然而，目前关于部分相干光的调控工作主要集中在标量场，而较少涉及关联结构对偏振特性的调控，这无疑丢失很多重要的物理信息。基于此，本项目针对部分相干矢量光束的关联结构调控及传输特性开展研究。主要研究成果如下：.（1）、构建了具有多余弦高斯谢尔模关联结构的径向偏振光束的理论模型，并确定了光束在物理上可实现的限定条件以及远场光束成立条件，在此基础上研究了关联结构对光束统计特性，尤其是偏振特性的调控作用。.（2）、研究了径向偏振多余弦高斯谢尔模光束在non-Kolmogorov湍流中的传输特性，研究表明，光束在自由空间中保持的阵列结构光强分布最终会被湍流破坏，光束将呈现出高斯型光强分布。另外，随着传输距离的增加，光束整体的径向偏振结构被破坏，但每个子阵列都呈现出径向偏振结构。.（3）、将扭曲相位与关联结构调控相结合、研究标量和矢量扭曲高斯谢尔模阵列光束在各向异性湍流中的传输特性。研究表明，扭曲电磁高斯谢尔模光源可以产生旋转的光谱偏振度分布。另外，通过调节光源扭曲相位和相干长度可以有效降低各向异性湍流效应。.（4）、我们将非对称高斯谢尔模阵列光束入射到波前折叠干涉仪，从而得到一系列具有旋转对称性光强分布的部分相干光场。该工作证明波前折叠干涉可以作为构建新型光场的有效手段。.本项目的开展丰富了光传输与调控研究，并为部分相干矢量光束在微粒操控等领域的应用提供了理论基础。