宽带光在大气湍流微扰下空间-时间域中的相干偏振特性及物理机理研究

Research on the coherence and polarization property in both the space-time and space-frequency domains for a light beam has been an international frontier. The theory on the coherence and polarization in the space-time domain has been extended from the case of a quasi-monochromatic light beam to the case of a broadband light beam. The theory of coherence and polarization in the space-time domain for a broadband light beam turbulenced by atmosphere is established. The expressions for the complex degree of coherence and for the complex degree of polarization in the space-time domain for a broadband light beam in turbulenced atmosphere are given. Numerical calculations are done. The influence of the turbulenced atmosphere, the bandwidth, the coherence and polarization property of the source and the propagtion distance is analyzed. The physical mechanism is given. The obtained creative result will enrich the theory on the coherence and polarization for a light beam. It will provide us with a theoretical basis for the applications of broadband light beams in optical communication, remoting,tracking and medical diagnosis. The research work is of acamedic value.

空间-时间域和空间-频率域中的相干偏振问题是目前国际上的前沿研究课题之一。本项目将空间-时间域中的相干偏振理论从准单色光近似情况推广到宽带光情况，建立宽带光在大气湍流微扰下空间-时间域中的相干偏振理论；公式推导宽带光在大气湍流微扰下空间-时间域中的复相干度和偏振度的表达式；数值计算大气湍流、光源的频谱宽度、光源的光谱相干偏振特性以及空间传输距离等因素对宽带光在大气湍流微扰下空间-时间域中的相干偏振特性的影响；探讨宽带光在大气湍流微扰下空间-时间域中的复相干和偏振度变化的物理机制。通过本项目研究，获得宽带光在大气湍流微扰下空间-时间域中的相干偏振变化规律及其物理机制；取得的创新性成果既拓展和丰富空间-时间域中的相干偏振理论，又为宽带光在激光通信、遥感、追踪以及医学诊断等方面的潜在应用奠定理论基础。本项目研究具有重要的学术价值和科学意义。

空间-时间域中的相干偏振问题是目前国际上的前沿热点问题。本项目严格按照研究计划开展了一系列的相关工作，取得了创新性的理论成果。首先，我们建立了宽带光源在空间-时间域中的相干偏振理论。以宽带随机电磁高斯-谢尔模光源为例，我们推导得到了宽带光源在理想的杨氏干涉装置中传输时，空间-时间域中的复相干度和干涉花纹的可见度这两者的解析表达式。推导得到了宽带光源通过理想的杨氏干涉装置时观察屏上的偏振度表达式。通过理论分析我们发现：宽带光源在空间-时间域中的相干偏振理论与准单色光情况不同。宽带光源在空间-时间域中的复相干度的模和观察屏上干涉花纹的可见度，这两者的数学表达式子不同。由数值模拟结果看出，随着光源频谱宽度的增加，复相干度的模减小；随着光源频谱宽度的增加，干涉花纹的可见度减小。在准单色光照射情况下，光源的复相干度的模可以由干涉花纹的可见度测量得到。当光源的频谱宽度增加时,杨氏干涉装置输入面上两针孔处光场的复相干度的模并不等于观察屏上干涉花纹的可见度。随着光源频谱宽度增加，偏振度变小，偏振度的振荡变弱。.其次，我们建立了宽带光源在受大气湍流微扰下空间-时间域中的相干偏振理论。通过理论分析我们发现，宽带光源照射受大气湍流微扰的杨氏干涉装置时，引入了与频率有关的大气湍流作用因子。大气湍流会引起宽带光场分布的改变。 从而导致宽带光源在空间-时间域中的相干偏振特性发生很大的变化。考虑大气湍流微扰的情况下，我们很难得到宽带光源在空间-时间域中的复相干度、干涉花纹的可见度以及偏振度这三者的解析表达式。以宽带随机电磁高斯-谢尔模光源为例，我们对宽带光源在受大气湍流微扰的杨氏干涉装置中传输时，观察屏上干涉花纹的可见度和偏振度进行了数值模拟计算，得到了一些创新性成果。通过数值计算我们发现，随着大气湍流作用增强，干涉花纹可见度变差。.再次，我们把宽带光源的相干理论应用到光学图像的加密解密中。我们提出了一种基于三光束干涉原理和任意矢量叠加法则的图像加密新方法。.我们较好地完成了本项目的研究计划。本项目研究具有重要的学术价值和科学意义。目前，本项目组已发表SCI论文两篇，还有一些研究成果正在整理准备投稿。