董前民[1]2001年在《随机表面统计特性的光散射标定和散斑场相位模拟分析》文中研究表明本文对随机表面统计特性的光散射标定法和散斑场的相位特性进行了理论、实验和模拟方面的研究。全文共分五章。 第一章对随机表面光散射的基本理论、随机表面的统计特性和散斑场相位涡旋理论进行了概括和综述。 第二章提出了用Ar~+离子激光器的多波长改变光波矢量的垂直分量k_⊥、从散射轮廓半高全宽的对数In(W_p)随In(k_⊥)的线性变化关系中来提取随机散射屏粗糙指数α的实验方法，建立了相应的实验测量系统，并且所测得的散射屏粗糙指数，与用原子力显微镜测得的结果符合得比较好。 第叁章提出了通过粗糙面光散射轮廓的中心亮点随波矢量的变化，提取高度概率分布函数的实验方法。该方法采用相位恢复算法来恢复高度概率分布傅立叶变换的相位，进而通过逆傅立叶变换得到高度概率分布函数。用这一方法分析表面高度概率分布，即使在粗糙面高度概率呈非对称分布时，也能有效地得到表面高度概率分布的信息。 第四章模拟研究了高斯相关随机表面所产生的散斑场的相位概率分布特性。发现散斑场的相位概率分布对散射表面的粗糙度非常敏感，在表面粗糙度较小时，相位概率呈非均匀分布。 第五章模拟产生了高斯相关随机表面所产生的散斑场的散斑图样和相位涡旋图样，并着重对散斑场的光学相位涡旋这类奇异的散斑现象作了分析，发现散斑和相位涡旋分布密切相关；在一定条件下，散斑和相位涡旋呈现较强的空间分布规律。
宋洪胜[2]2010年在《基于复振幅实验测量的散斑场特性的研究》文中进行了进一步梳理散斑场是相干光经随机表面散射后形成的随机强度分布图样,对它的统计特性的研究是一个多年来倍受关注的课题。散斑场强度零点周围形成相位涡旋,由于其中含有丰富的光波复振幅和相位信息,对相位涡旋的研究也越来越引起人们的广泛关注并逐渐成为非线性光学、激光物理和光信息处理等领域的研究热点。利用散斑场与参考光的干涉技术和傅立叶变换法实现随机光场的实验提取后,人们逐步开始了散斑场相位涡旋的实验研究。菲涅耳极深区散斑中包含了丰富的表面信息,它比远场散斑更能体现出随机表面高度分布的统计信息,因此它必将对关于随机表面及其标定的研究方面有一定的帮助。本学位论文利用散斑场和参考光的干涉技术和傅立叶变换法成功地实现了各种散斑场的实验提取,研究了散斑的强度、复振幅、相位和相位涡旋等的统计特性和传播规律。理论上,用Frankenthal提出的多刻度相位屏模型解释了大散射角度处散斑场的区域分形结构、利用圆型高斯散斑与直透光的迭加理论解释了菲涅耳极深区散斑的强度概率密度特征和对比度;实验上,设计散斑场与参考光的干涉装置并实现了不同散射角处散斑场复振幅和相位的实验测量,在干涉装置中又设计了一个显微系统从而实现了菲涅耳极深区散斑的实验测量和提取;数值模拟计算中,实现了菲涅耳极深区散斑场产生,并结合实验中得到的干涉图样数据完成了不同散射角处及菲涅耳极深区散斑场的数字提取。本论文共分六章。第一章是对本课题的研究历史和现状以及论文相关的一些概念进行了综合性描述。内容包括随机表面的描述方法、主要的统计参量及其高度的统计函数;光散射的基本原理、散斑场的形成以及其在随机表面标定中的应用;相位涡旋的定义和一般性质,给出相位涡旋符号的定义方法和相关函数;讲述了干涉图样的傅立叶分析过程和散斑场复振幅和相位等参量的实验提取方法。第二章对散斑场相位涡旋传播特性以及准孪生涡旋的性质进行了实验研究。我们首先用CCD记录散斑场和平面参考光的干涉图样,利用傅立叶变换法实现了散斑场复振幅以及相位分布的实验提取过程。发现在复振幅实部零值线和虚部零值线的切点处形成了一种新的相位奇异,与两条零值线相交形成的传统相位奇点周围单调螺旋变化的相位分布形式不同的是,若以该点为圆心做一个半径很小的圆周,在圆周上的一个最小相位值点开始沿着圆周行走一圈,我们将会看到相位的变化总是先增大到某一个最大值然后再减小到这个最小值,而且相位的取值范围也小于2π,即这里总是缺少某些相位值。结合相位涡旋的产生过程,我们称实部零值线和虚部零值线切点周围形成的为准孪生相位涡旋,即该点是一对孪生涡旋产生的临界状态。在理论研究散斑场强度的纵向自相关函数的基础上,我们在实验中研究了散斑场相位涡旋的纵向传播规律,发现在光强纵向相关长度范围内的不同传播距离处的观察面上,散斑场复振幅实部和虚部都是随机变化的,但是相位涡旋的相对位置及涡旋中心处实部零值线和虚部零值线的交角几乎不随传播距离而改变。第叁章对不同散射角度处散斑场的强度、复振幅、相位以及相位涡旋的统计特性进行了实验研究。首先介绍了在实验中利用散斑场和球面参考光的干涉图样提取出不同散射角处散斑场复振幅、相位和强度的方法,并对这些参量的统计特性进行了研究。在提取过程中我们可以通过控制傅立叶谱平面的大小而把CCD测量数据中的高频噪声滤掉,因此最终能够正确地统计出强度的分布规律,更重要的是利用这种方法我们成功地实现了不同散射角处散斑场复振幅和相位统计特性的实验研究。我们通过对不同散射角处散斑场强度的研究发现,散斑颗粒随着散射角的增大而被横向展宽,强度的自相关函数的变化趋势在各个方向上不再相同,呈各向异性,但是散斑场仍然严格服从高斯分布。根据对实验提取的不同散射角度处散斑场复振幅和相位的研究发现,由于复振幅和相位的空间分布特征随着散射角的增大发生了很大的变化,在相位奇异方面出现了一些特殊的现象和性质。如随着散射角的增大,相位奇异处光场的实部零值线和虚部零值线交角的统计分布向小角度方向趋近;相位奇异附近等光强曲线的离心率的平均值逐渐增大,有趣的是在大散射角度处出现了离心率大于1的特殊情况;相位涡旋的相关曲线在空间间隔较大的时候收敛的越来越缓慢等等。经过研究我们给出了导致这些特征产生的原因是,大散射角度处散斑场中出现了光场实部零值线和虚部零值线在某段区域相互重合而形成的相位奇异线。发现相位奇异线与传统相位奇异点周围的相位分布完全不同,在奇异线上相位不确定,它两侧的等相位曲线都平行于该奇异线分布,奇异线两端存在相位的突变。相位奇异线这个有趣的现象在传统的散斑场中很难发现。第四章,我们用半导体泵浦激光器Verdi V-5(最大功率为5W)输出的较高功率激光做散射光源,从而使大散射角处的强度有所提高,并用电荷耦合器(CCD)对其进行测量。利用散斑与球面参考光的干涉技术和傅立叶变换的计算方法我们从实验中提取出大散射角处散斑的复振幅。根据对大散射角处散斑的强度相关函数的研究,我们发现该散斑的分形特征与空间距离ρ有关。在ρ比较小的区域内,分形指数α= 1,然而当ρ增大到某个一定数值以后分形指数α又小于1。显然该散斑的分形特征与通常的分形图样不同,它的分形指数因空间区域大小而异,我们称这种散斑为区域分形散斑。我们为这种区域分形散斑的强度相关函数整理出一个经验解析式,并用其拟合实验曲线求出分形指数α。根据区域分形散斑强度和复振幅的概率分布特征,我们证明了这种散斑仍然符合高斯分布规律。第五章,我们首先利用基尔霍夫近似和格林函数理论对极度靠近随机表面区域(也可以称之为菲涅耳极深区)的散斑进行了理论分析,然后通过数字模拟产生了2维的菲涅耳极深区散斑。通过与产生该散斑的随机表面的高度分布特征进行对比我们发现,无论是散斑强度的分布规律还是其分形特征都与对应随机表面的高度分布有着密切的关系。我们计算出菲涅耳极深区散斑的强度概率密度,发现它并不是与远场散斑一样遵从负指数的分布规律。利用圆型高斯散斑场与直透光的迭加理论解释菲涅耳极深区散斑强度的统计规律。我们通过设计的显微系统对菲涅耳极深区散斑进行了实验测量,并分析了散斑强度分布特征和概率分布密度,为我们数字模拟得出的结论提供了实验依据。利用散斑场和参考光的干涉技术和傅立叶变换法实现了菲涅耳极深区散斑复振幅和相位的实验提取,提取的复振幅和相位的分布可以为研究散斑的形成过程和光波的传播规律提供实验依据。第六章,总结了本学位论文所取得的主要成果和创新点,并简单地介绍了下一步要深入开展的研究工作。
马力[3]2018年在《螺旋多孔屏调制的飞秒光场与散斑场相位涡旋研究》文中提出光学涡旋,是指沿光轴传播方向具有螺旋形相位波前的光场。涡旋核处强度为零且相位不确定,我们将其称之为奇异点。绕奇异点在方位角θ上旋转一周,相位变化为2π的整数(l)倍,其相位分布可以被表示为exp(ilθ),这里的l可以称作为涡旋的拓扑荷。在涡旋光场中,每个光子携带的轨道角动量为l?。由于光学涡旋的这些特殊性质,专家学者们对此产生了极大的研究兴趣,于是光学涡旋被应用到了众多的研究领域中,比如Bose–Einstein凝聚、微操控、光通信、超分辨显微、量子信息处理以及非线性光谱学等领域。近几十年来,在光学领域中一项重大的研究成果是超短脉冲的产生,其中包括几飞秒以及几十阿秒超短脉冲的成功实现。飞秒光学涡旋的产生使得飞秒光学技术有了进一步的发展。飞秒涡旋使得奇异光学、分子反应动力学以及与涡旋相关的强场物理领域均引入了时空变化的特性。这使得飞秒涡旋在众多领域具有了巨大的应用价值,其中包括飞秒微纳操控、亚波长非线性显微技术、飞秒特殊结构的微加工以及飞秒成丝等。本文主要基于螺旋多孔屏的波前调制作用,实现了飞秒光场涡旋的产生以及散斑场中相位涡旋结构的重组。螺旋多孔屏调制光场的主要原理是,径向距离随方位角均匀变化,从而实现光波衍射的相位调制。设计不同的螺旋多孔屏可以实现特定光学涡旋的产生。我们通过费马螺旋线调制飞秒脉冲,实现了对飞秒涡旋时空演化特性的研究;设计了齿轮螺旋调制超快光场,实现轨道角动量模式的灵活选择;多螺旋阵列的多孔屏结构,可以成功地产生高阶相位涡旋;通过螺旋多孔屏调制散斑场,在形成的团簇散斑场中发现了双胞涡旋的存在;通过透明材料复刻单晶硅片的表面结构,我们观察到了四个光强亮斑形成的光散射局域增强效应。本文划分为以下七章内容:第一章,我们对光学涡旋做了概括性的介绍。我们描述了光学涡旋的发展历史,并从数学的角度对光学涡旋进行了解释。光学涡旋的产生方法主要有螺旋相位板法、计算全息法、柱面镜模式转换法以及多光束干涉法等。光学涡旋轨道角动量的探测方法主要有叉形光栅法、干涉仪法和平面波干涉法等。我们进一步对光学涡旋在飞秒光场和散斑场中的发展和研究背景做了简要介绍。第二章,我们利用费马螺旋多孔屏调制飞秒光场实现了飞秒涡旋的产生,并对其光场强度、相位、轨道角动量和能流的时空演化过程进行了研究。在实验上,我们主要利用了Mach-Zehnder型干涉光路研究飞秒涡旋。结合实验结果和理论分析,我们讨论了飞秒涡旋在飞秒时间尺度内的时空演化。从获得的结果中我们得出结论,各个时刻涡旋光场横截面上的轨道角动量随时间的变化几乎保持不变,而涡旋光场的强度和能流则随时间呈类高斯型分布。并且随着时间的改变,飞秒涡旋的等相线绕光轴发生转动。第叁章,我们提出了一种方法,可以在超短激光脉冲中实现轨道角动量模式的灵活选择。这一方法主要基于齿轮状螺旋排布的光学掩膜,它是多条螺旋形线段阵列旋转对称排列而成的齿轮模型。我们分别从理论和实验上对飞秒光学涡旋进行了分析,结果表明我们提出的齿轮螺旋阵列可以灵活地产生携带轨道角动量的光场。与传统的螺旋形光波产生方法相比较,这一光学器件在超快光场环境中具有以下优点:高阈值、无介质色散、易于操控。并且在其他近轴标量衍射系统中,这一齿轮螺旋阵列均可以用于产生和分析涡旋光场。第四章,我们提出多螺旋阵列调制飞秒光场相位分布的方法,从而实现高阶飞秒涡旋的产生。这种多螺旋阵列是由多条相同的螺旋线旋转对称排布而成,具有近似中心对称的分布形式。我们从理论上对多螺旋结构调制光场产生涡旋的原理进行了分析,并通过模拟对其加以验证。从模拟的光场中提取数据得到了光场中轨道角动量和能流的分布形式,对其加以分析并得出结论,经多螺旋结构产生的涡旋光场分布具有对称性。通过超快光场环境下的实验分析,证明了多螺旋阵列可以有效地产生高阶飞秒涡旋。这一研究成果是对螺旋多孔屏产生光学涡旋这一方法的改进,并对光场调控及涡旋相关领域的研究和应用具有重要的意义。第五章,我们在实验上通过螺旋多孔屏来调制散射光波,在形成的团簇散斑场中发现了一个新的涡旋态。这一涡旋态由两个相邻同号的奇异点嵌入在同一涡旋核中,我们将它称为双胞涡旋。在我们的实验中,由N个孔沿螺旋线排列组成的螺旋多孔屏可以在散射光波中引入2π整数倍的相位变化。在不同的螺旋多孔屏对光场相位的调制作用下,从随机表面散射的光波可以在形成的团簇散斑场中产生多种不同的双胞涡旋形态。根据实验中得到的数据,我们对双胞涡旋在团簇散斑场中的密度和两个奇异点之间的距离进行了统计分析。研究结果表明,双胞涡旋在团簇散斑场中具有低密度和奇异点紧邻的独特性质。这种具有双奇异点的特殊涡旋态是第一次在散斑场中被观察到,也是首次对其进行分析研究。第六章,我们研究了单晶硅随机表面的光波散射性质。我们利用透明材料复刻硅片表面结构并将其置于激光光束下照射,在透射场中对散射光场进行采集。实验结果显示散射光场是由四个光强集中的高能量密度光斑组成,这四个光斑在光场中以正方形的形状分布,且相邻两点由光强亮线连接。对这一实验现象,我们从模拟和理论上分别对其散射光场的形成进行了分析。研究表明光波经硅片表面的随机金字塔结构散射形成的光场,是几何光学和物理光学共同作用下的结果。此外,我们对光斑在光场中的中心散射角进行了数值计算,结果显示这些局域增强的光斑分布具有确定的光散射角。我们的研究成果在提高单晶硅太阳能电池光能吸收效率方面具有潜在的应用价值。第七章,我们对研究工作中取得的成果和创新进行了总结,并简要地介绍了下一步将要开展的工作。
宋洪胜[4]2004年在《强散射体像面散斑对比度及超快激光脉冲的近场和远场散射的研究》文中提出对随机表面的统计特性以及对其标定方法的研究是一个多年来倍受关注的课题，它在材料加工、工件加工和光学元件制造等许多科研技术领域有着重要的理论意义和应用价值。近场光学是研究距离介质分界面一个波长以内(即近场区域)的光学现象的新型交叉学科，随着近场光学显微镜的快速发展，对近场光学的研究也获得了相当大的进展。超快脉冲是由一系列单色光波迭加组成的持续时间非常短暂的激光脉冲。本文对粗糙随机表面光散射及像面散斑对比度、超快脉冲的近场散射以及费涅尔衍射的一些特性进行了理论上和计算模拟的研究。全文共分四章。 第一章对随机表面参量及其统计特性和标定方法、光散射的基本原理、近场光学以及超快激光脉冲的一些特性进行了综述。 第二章利用像面散斑场光波复振幅的一般形式和双重指数函数近似以及像面散斑场光波复振幅的实部和虚部的旋转变换法，得到了强散射体在4f成像系统中像面散斑对比度与随机表面统计参量以及光学成像系统参量之间相关联的直接表达式。根据这个表达式我们可以看出，在滤波孔比较小的情况下强散射体像面散斑对比度与表面均方偏差粗糙度w、横向相关长度ξ以及滤波孔径R之间都有密切的依赖关系。本章的结果与现有文献中包含随机表面相关面积或散射基元数目的隐含表达式相比具有明显的改进，而且对标定高斯相关随机表面的散斑对比度法的应用具有重要的意义。 第叁章给出了关于通过一个亚波长孔径传播的超快激光脉冲的数值解方法。首先把随时间变化的超快激光脉冲看作是一系列简单的单色谐波的迭加，对于具有单一频率的谐波光场可以用电磁波格林积分方程进行求解。然后把这种数值解方法分别运用到所有频率的单色波即可就出其对应的光场，而且对所有的这些数值解作逆付里叶变换就可以将其转换为时间领域的光场。通过计算模拟求出光波通过亚波长孔径后的强度分布，计算结果可以体现出沿着介质表面传播的光场的一些特性。本文中的方法和结果对理解近场领域中倏逝波的形成和传播是非常重要的。摘要 第四章对超快激光脉冲经随机表面在菲涅耳衍射区形成的散斑场的统计特性进行理论和计算模拟研究，首先根据超快脉冲本身的性质以及简化随机表面光场自相关的表达式求出散斑光场自相关函数，然后由它和光强的系综平均求出散斑场光强自相关函数。计算模拟的结果给出散斑场的一些与单色光照明的情况不同的特性，我们发现随着时间的推迟，散斑颗粒逐渐减小而且散斑场出现周期性振荡，并在理论上对这些特性给出合理的解释。
李大伟[5]2005年在《相干光散斑的计算模拟与实验研究》文中研究指明散斑场的研究与探测多年来在散斑干涉计量术等多个领域中一直备受关注,由于散斑场的空间分布特征包含了物体的位移和形变信息,因此可借助于散斑场的研究和探测进而获取物体的位移和形变信息。众所周知,散斑杨氏干涉条纹是干涉计量学的基础,目前杨氏干涉条纹图样已构成了许多前沿领域的基础,因此散斑杨氏干涉条纹图样的研究也具有重要意义。一般说来,散斑的性质是由散射体和散射后光波所经过的光学系统共同决定的。其中散射体所引起的光波初始随机相位起伏的剧烈程度对散斑场的概率分布等某些基本统计特性有重要影响,而光波散射后所经过的光学系统也是影响散斑场的相关和概率分布等统计特性的重要因素。然而像面散斑的理论研究目前尚未十分完善。近来研究表明利用散斑场同样可以提取随机表面的统计特性。经随机表面产生的散斑场与随机表面统计特性之间有着密切的联系,因此可通过研究散斑场的特性来提取随机表面的参量。并且散斑方法以其无接触,无损伤和成本低廉等优点已成为探测或提取随机表面信息的最重要的方法之一。此外在散斑场的实验测量中由于实验条件的限制,散斑场的测量精度总是受到限制。为了进一步提高散斑场探测的精度,我们必须克服目前探测器的分辨极限的影响。为此围绕相干散斑场的特性、探测和应用本文先后开展了一下几个方面的研究工作。第一章首先对随机表面的标定方法以及统计特性进行了描述,对比了不同特征参量的随机表面的差异。此外通过对散斑干涉计量术基本原理的分析,得到了散斑杨氏干涉条纹与物体形变之间的关系。最后剖析了散斑场探测器CCD 的基本工作原理,得到散斑图测量精度的最终限制来自于探测器本身的分辨极限的这一结论。第二章对随机表面产生的像面散斑进行了模拟和计算,讨论了像面散斑对比度与随机表面参量以及成像系统之间的关系。通过模拟获得随机表面并通过4f 系统产生了像面散斑,并计算了散斑的对比度,结果发现像面散斑对比度与成像系统参量
张美娜[6]2013年在《相位光栅衍射和随机表面等离子体激元散斑研究》文中研究表明对于相位光栅的研究是一个古老而新颖的课题，根据散射理论研究了其衍射级次的数目变化。通过时域有限差分法数值模拟了正弦相位光栅的透射场分布，将其分为近场、菲涅尔深区以及远场分析了干涉条纹产生的原因，通过全反射理论证明了倏逝波的存在。表面等离子体激元散斑的研究对研究表面等离子体激元传播具有重要的意义。而散斑由相干光照明粗糙表面，该表面上不同面元透射或反射的光振动在空间相遇而发生干涉，形成具有无规则分布颗粒状结构的衍射图样。按照光的传播方式，把散斑分成远场散斑，近场散斑和象面散斑。由于散斑场的随机性，对它的统计特性的研究是一个多年来倍受关注的课题，对其统计特性的研究主要根据强度自相关，强度-强度相关进行统计计算随机界面散斑与表面等离子体激元散斑的参数。另外，散斑场强度的实部强度与虚部强度相等时其周围将形成相位涡旋，由于其中含有丰富的光波复振幅和相位信息，对相位涡旋的研究也引起了人们的广泛关注并成为一个新的研究热点。目前主要利用散斑场与参考光的干涉技术和傅里叶变换法实现随机光场的实验提取来研究散斑场的相位涡旋。菲涅尔深区以及极深区内的散斑含有更加丰富的信息，因此对其研究具有更加重要的意义。本学位论文首先利用制备了随机玻璃样品和随机银膜样品，然后搭建具有高倍显微物镜的实验系统对样品在菲涅耳深区与极深区的随机介质与随机银膜产生的表面等离子体激元的散斑图样进行了采集，研究了样品随银膜厚度的散斑特性的演化以及散斑颗粒的尺度变化，并定性分析了表面等离子体激元在散斑场的演化中的作用，同时根据基尔霍夫近似理论进行数值模拟计算，实现了菲涅耳极深区散斑场的强度分布，并与原子力显微镜扫描的表面高度分布进行比较。本论文通过强度-强度相关曲线拟合计算了散斑颗粒的大小、分形指数随着银膜厚度的演化。另外在原有光路的基础上加上参考光利用散斑场和参考光的干涉技术和傅里叶变换法成功地实现了各种散斑场的实验提取，研究了散斑的强度、复振幅、相位和相位涡旋等的统计特性和传播规律。论文共分八章。第一章是对本课题的研究历史和现状以及论文相关的一些概念进行了综合性描述。内容包括随机表面的描述方法、主要的统计参量及其高度、强度的统计函数；分形理论、散斑场的形成以及其在随机表面标定中的应用；相位涡旋的定义和一般性质，给出相位涡旋符号的定义方法和相关函数。第二章首先基于麦克斯韦方程组将负折射材料的介电常数离散得到，通过表面等离子体激元的色散关系，得出了其共振条件与共振频率。对于表面等离子体激元的产生条件进行了详细的介绍。介绍了几种激发耦合方式，本文中主要通过表面随机界面结构补偿波矢使其能够耦合到空间中进行传播，这为我们后面讨论随机银膜界面的散斑结构演化、表面等离子体激元散斑涡旋随着银膜厚度的演化奠定了基础。第叁章讨论了正弦光栅的衍射级次随着光栅周期、入射光的入射角的变化情况。发现当入射光线与栅线垂直入射时，光栅的衍射级次会发生畸变，不再在同一条直线上。光栅周期越大，衍射级次的数目越少；入射光的入射角越大，衍射级次的数目也越少。第四章我们通过时域有限差分法数值模拟了正弦光栅的透射场分布，计算了不同的光栅周期的透射场分布，发现光栅周期不同，其透射场近场的分布完全不同，将其透射场分为近场、菲涅尔深区、远场。其透射场分布呈现周期性变化，根据其透射场干涉条纹的分布分析了其近场光场分布的机理，通过全反射证明了倏逝波的存在，并简单计算了其干涉条纹的间距。光栅周期是影响其透射场分布的重要参数，光栅周期越小，其周期性干涉条纹出现的越快。在不同的区域，其干涉条纹产生的机理不同，并进行了相信的分析。并且其凹凸槽对应的凹透镜和凸透镜的效果越明显，这对于设计光学器件具有重要的指导意义。第五章我们通过含有高倍成像显微物镜的光学实验系统采集了随机玻璃样品的散斑图样，观察发现菲涅尔深区的散斑结构中含有棱脊状结构,大的平台颗粒结构,破碎状颗粒结构等多种散斑结构，这些结构与传统的远场散斑结构非常不同，这些散斑结构具有明显的分形特征。在传统的光学实验中，分形结构需要通过照明孔径来实现，而本实验中基于高倍成像显微物镜对散射光的收集能力以及样品的特点可以直接实现分形散斑的获取。我们根据基尔霍夫近似和格林定理，利用原子力扫描显微镜扫描的表面高度数据模拟了在象面上散斑场的分布，通过比较AFM扫描的表面形貌与模拟的散斑场结构发现这些结构来自于随机样品的凸起和凹陷部分。通过高度自相关、高度-高度相关计算了该随机玻璃样品的表面粗糙度、横向相关长度、分形指数等参数。并通过计算随机样品的散斑场的强度-强度相关函数和强度自相关函数，并拟合强度-强度相关曲线获得了散斑场的散斑颗粒的尺度大小、以及分形指数。经过分析发现这些结构与自相关函数曲线的中心峰、过渡区、长尾区叁部分相对应。第六章我们通过含有高倍成像显微物镜的光学实验系统采集了随机玻璃样品和镀有银膜的随机玻璃样品的散斑图样，分析了其散斑结构随着银膜厚度的演化，发现随着银膜厚度的增加，在随机玻璃样品的散斑同样中发现的棱脊状结构,大的平台颗粒,破碎状颗粒等多尺度结构逐渐消失，散斑场的颗粒尺度越来越小，并趋向于一个极限值。对表面等离子体激元散斑的演化特性进行了定性的分析，解释了这些多尺度结构消失的原因。其形成机理由两方面因素决定，随机玻璃的散射与随机银膜的散射共同作用引起了散斑颗粒尺度逐渐减小。计算了其概率密度函数与对比度，并通过拟合概率密度曲线计算了其对比度，并将两者进行了比较。计算了样品的强度自相关函数的全局自相关与局部自相关，通过拟合自相关曲线得出了散斑颗粒的尺度大小以及分形指数。通过拟合数据证明了直观观察的散斑颗粒尺度变小的特性。第七章我们通过含有显微物镜成像的物光系统与含有空间滤波器来放大和虑波的参考光系统干涉获取随机玻璃样品和镀有银膜的随机玻璃样品表面的散斑干涉图样。通过干涉相位提取技术，通过一次傅里叶变换得到了散斑场的空间正一级频谱分布，通过两次傅里叶变换恢复了散斑场的光强的复振幅、相位分布、光强实部零值线与虚部零值线的分布。分析了随着银膜厚度的增加，表面等离子体激元散斑的相位分布中的涡旋个数越来越多，这主要是由于随机玻璃界面与随机银膜界面的散射作用以及散射波与表面等离子体激元波相互干涉的结果引起的。表面等离子体激元散斑的涡旋分为完整涡旋与非完整涡旋，并对涡旋符号进行了分析。另外随着银膜厚度的增加，散斑涡旋密度增加，对相关函数相关的值在短相关长度范围内较大，一定的相关长度趋于一个定值；电荷相关函数相关的值在短相关长度范围内比对相关函数值小，由于正负电荷相反的贡献，一定的相关长度趋于零。等光强曲线的离心率偏离高斯散斑场的离心率，表明等离子体激元散斑场偏离高斯散斑场。第八章总结了本学位论文所取得的主要成果和创新点，并简单地介绍了下一步要深入开展的研究工作。
刘曼[7]2003年在《随机表面的散斑标定法与近场散斑特性的研究》文中研究说明粗糙随机表面统计特性的研究是一个多年来倍受关注的问题，这一问题在如动力学的材料生长界面，由大的冲击而产生的断裂面，光学元件设计等诸多物理领域具有重要的意义。近年来，随着近场光学显微镜的快速发展，对近场光学的研究无论在理论上还是在实验上都获得了相当大的进展，但对近场散斑特性的研究还处于探索阶段。本文对随机表面，光散射轮廓特性，近场光学和近场散斑的特性及表面的标定进行了理论、实验和计算模拟的研究。全文共分四章。 第一章对随机表面的描述和标定方法、光散射轮廓特性及其重要性、近场光学和近场散射的意义和近场散斑的特性进行了综述。 第二章提出了由像面散斑平均光强提取随机表面高度—高度相关函数的方法。在理论分析和实验测量中，我们采用了变孔径的傅立叶变换和成像系统，由所得到的像面光强的解析式，建立了将平均光强随孔径的数值变化关系转化为正逆傅立叶变换对，从而恢复出表面的高度—高度相关函数。我们以对叁个高斯相关的随机表面样品的实验测量为例，对该方法行了验证。所测得的结果与用原子力显微镜测量的结果符合得很好。 第叁章根据基尔霍夫近似下的光散射理论，提出了从随机表面附近衍射区内的散斑场相关函数中提取随机表面参量的方法。我们首先得出了散斑相关函数的定量表达式，该式表明散斑相关函数实际上是在Van Cittert-Zernike定理中等效地将散射轮廓函数反演到散射体平面内作为散射孔径函数的结果。采用最小方差拟合的方法，将散斑相关函数的测量结果与所得到的表达式进行拟合，可以提取出随机表面参量。我们通过模拟实验，并以自仿射分形随机表面附近散斑光强的相关函数进行数值计算为例，对该理论和方法进行了验证。所得到叁个表面参量粗糙度w，横向相关长度ξ和粗糙度指数α的值与所设定的值符合得较好。 在第四章中，我们提出了近场散斑的概念，并依据介质界面电磁波的格林积分 摘要方程对自仿射分形随机表面产生的散斑光场进行了数值计算模拟研究，发现近场散斑分形特征与自仿射分形随机表面的特性有关，且这种分形特征在非近场区域消失。同时研究了散斑特性及其对比度随表面参数及离开介质表面的距离的演化。通过把电磁场的积分方程和传统衍射理论中点扩展函数的类比，我们对近场散斑特性给出了初步的定性解释。
徐芝伟[8]2011年在《从相干光到非相干光散斑特性的研究》文中研究指明随机表面是自然界最重要的组成部分,小到分子原子构成的物理体系大到山川丘陵都是粗糙的随机表面,对随机表面的研究在许多科学技术领域如:薄膜生长动力学、天体冲击引起的断裂、微电子元件设计等方面有重要的意义,因此随机表面的特性一直是备受关注的研究课题。当适度相干光从粗糙表面反射或通过折射率无规则涨落的媒介传播时,就会形成无规则的强度分布,我们称之为散斑。随机表面产生的散斑特性研究在研究光源的量子纠缠特性等方面也有重要的意义,因此近几年以来,光经过随机表面产生的散斑特性也一直是备受关注的研究课题。自上世纪80年代以来,在对非线性晶体的自发参量下转换过程产生的双光子纠缠态进行的理论和实验研究中,发现了一些新的光学现象,如“鬼”成像、“鬼”干涉和亚波长干涉等.最近一系列新的研究结果表明,“鬼”成像、“鬼”干涉和亚波长干涉也可以用非相干的热光源通过强度关联来实现.这种相似性引发了关于量子纠缠和经典关联的争论。本文的内容主要针对部分相干光的干涉特性的研究,对此进行了大量的理论和实验探讨,取得了重要进展,还研究了影响散斑的各个因素。对散射屏表面粗糙度对散斑图样的影响进行理论分析,给出了散射屏移动对散斑图像的影响,但是这些研究只是初步的,并未深入的作理论分析。本文的具体内容共由五章组成:第一章提出了本文研究内容的意义,部分相干光干涉的背景和最近的发展情况,并对随机表面的描述与测量标定方法和部分相干光干涉在其他方面的应用作了简单介绍。第二章对光学散斑的一阶统计性质进行了系统的介绍,理论上介绍了非相干光和部分相干光散斑图样强度迭加的研究方法,对于非相干光的散斑图样迭加,先从简单的两个散斑图样迭加进行分析,进而应用到N个散斑图样迭加的情况。第叁章主要介绍了我们的实验设计,我们在实验中对散斑图样的数值进行迭加,用强度测量的方法观察到了散斑光即部分相干光的类似双缝干涉的现像,并用前面给出的强度迭加理论进行了分析,得到的结果和实验中拍摄的图片想吻合。在我们的实际应用实际测量的过程中,强度值的测量要比强度关联测量简单,而且更容易操作。第四章主要内容是:对实验中得到的图样进一步进行理论分析,利用统计方法求出相应的对比度,分析了各种因素对散斑图样的影响,根据实验得到的图像分析了散射屏的横向移动对散斑干涉图样的影响。这一部分中我们只是对得到的图样中的颗粒和散斑颗粒经过双缝发生的干涉得到的实验结果进行了简单描述和分析,并没有进行更深层次的分析,这将是我们以后工作的重点。第五章对所做的课题研究进行了总结,并提出以后的研究工作的目标和方向。
参考文献：
[1]. 随机表面统计特性的光散射标定和散斑场相位模拟分析[D]. 董前民. 山东师范大学. 2001
[2]. 基于复振幅实验测量的散斑场特性的研究[D]. 宋洪胜. 山东师范大学. 2010
[3]. 螺旋多孔屏调制的飞秒光场与散斑场相位涡旋研究[D]. 马力. 山东师范大学. 2018
[4]. 强散射体像面散斑对比度及超快激光脉冲的近场和远场散射的研究[D]. 宋洪胜. 山东师范大学. 2004
[5]. 相干光散斑的计算模拟与实验研究[D]. 李大伟. 山东师范大学. 2005
[6]. 相位光栅衍射和随机表面等离子体激元散斑研究[D]. 张美娜. 山东师范大学. 2013
[7]. 随机表面的散斑标定法与近场散斑特性的研究[D]. 刘曼. 山东师范大学. 2003
[8]. 从相干光到非相干光散斑特性的研究[D]. 徐芝伟. 山东师范大学. 2011