轴棱锥相位随机调制产生无衍射散斑的方法及应用初步研究

论文摘要

无衍射光场包含无衍射光束和无衍射散斑,其特点是在自由空间传播时,具有独特的无衍射性质。无衍射贝塞尔光束作为无衍射光束家族种的一员,最早被提出,并得到了广泛的研究和应用领域的探索,其在成像方面、探测方面等领域体现出重要的研究价值和使用价值。以无衍射贝塞尔光束为基础研究发展而来的无衍射散斑,不仅具有无衍射特性,还有散斑的随机特性,体现出了比普通散斑更好的特性。由于无衍射散斑独特的性质,在幻影成像、信息加密、无损检测等领域表现出较大的前景和价值。本文对无衍射散斑产生方法及应用进行了初步研究。主要研究内容和创新点如下:一、对文献中已有的无衍射散斑产生方法进行分析归纳,根据其原理和实现方式,将其分为两大类。第二类方法,是通过数值计算对轴棱锥相位分布施加随机调制生成合成相位膜片,将合成相位膜片直接显示在纯相位空间光调制器上,再用准直激光束照射经光学空间滤波产生无衍射散斑,不需要实际器件和装置产生实际的环形光束,具有无衍射散斑参数调控灵活、光能利用率高及实现装置结构简单等优点,因此,本论文主要研究第二类方法。第二类方法中,目前有两种施加随机相位调制的方式,一种是在数值计算中对环形光束实施随机相位调制,再经傅里叶变换生成能够产生无衍射散斑的合成相位膜片,另一种是对轴棱锥相位分布直接在方位角方向实施随机相位调制生成能够产生无衍射散斑的合成相位膜片。二、在介绍第一种方法的原理和实现过程的基础上,通过数值计算模拟,研究了其所产生的无衍射散斑场的无衍射特性和散斑特性,重点研究了随机调制单元数目对散斑完备性的影响,并就原理和实现过程、无衍射特性及散斑完备性等方面与第二种方法进行比较。研究发现:(1)原理和实现过程方面,从物理原理上来说,两种方法没有本质上的区别,第一种方法是频域调制,第二种是空域调制,不同点主要体现在生成合成相位膜片的实现过程。(2)在产生的无衍射散斑的无衍射特性方面,最大无衍射距离和平均散斑颗粒大小是由所依据的轴棱锥相位梯度参数、空间光调制器参数及照射光波的波长决定的,在器件参数和波长相同的情况下,两种方法产生的散斑场在无衍射特性方面相同的。(3)在散斑完备性方面,第一种方法中影响完备性的主要因素是随机相位调制单元数目,随机相位调制单元数目越多,散斑场的完备性越好;第二种方法中影响完备性的主要因素是方位角细分数目,方位角细分数目越多,散斑场的完备性越好;频谱面上的随机相位调制单元数目和空域面上的方位角细分数目具有某种对应等价关系。三、在实验方面,(1)采用液晶纯相位空间光调制器对第一种方法进行实验研究,实验结果验证了数值计算模拟中的分析和结论。(2)对采用DMD实现纯相位调制产生无衍射散斑进行了初步实验研究。四、在无衍射散斑应用方面,提出将无衍射散斑应用于数字全息幻影成像,并进行了初步实验研究,就高斯散斑与无衍射散斑数字全息幻影成像进行了比较,初步研究结果发现,由于无衍射特性,无衍射散斑数字全息幻影成像提高了成像系统的分辨率和景深。本文的研究内容对无衍射散斑的产生、评价及其应用领域的研究具有一定的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 无衍射贝塞尔光束及无衍射散斑场简介
•   1.2 无衍射散斑产生方法简介
•   1.3 主要内容与章节框架
• 第二章 无衍射散斑场理论
•   2.1 散斑的基本理论与统计特性
•     2.1.1 散斑的产生
•     2.1.2 散斑场的统计特性
•     2.1.3 散斑场统计特性小结
•   2.2 无衍射散斑的基本原理、特征参数与评价
•     2.2.1 无衍射散斑的产生
•     2.2.2 无衍射散斑的特征参数与评价
•     2.2.3 关于无衍射散斑的评价
• 第三章 基于轴棱锥相位随机调制产生无衍射散斑
•   3.1 轴棱锥相位分布函数及其离散化表示
•   3.2 第一种方法中随机相位调制单元数目对无衍射散斑特性的影响
•     3.2.1 产生无衍射散斑的原理过程及其问题分析
•     3.2.2 改变随机相位调制单元数目的方法
•     3.2.3 随机相位调制产生无衍射散斑的数值模拟实验
•     3.2.4 无衍射散斑特性分析及随机相位调制单元数目的影响
•   3.3 第二种方法中方位角细分数目对无衍射散斑特性的影响
•     3.3.1 第二种产生无衍射散斑方法的原理过程及数值计算模拟简介
•     3.3.2 方位角细分数目对无衍射散斑特性的影响
•   3.4 第一种方法产生无衍射散斑的实验研究
•     3.4.1 实验光路设计
•     3.4.2 无衍射散斑场的实验结果分析
•   3.5 两种方法的比较
• 第四章 基于数字微镜实现纯相位调制产生无衍射散斑
•   4.1 DMD的结构与工作原理
•   4.2 DMD实现纯相位调制的原理与方法
•   4.3 采用DMD实现纯相位调制产生无衍射散斑的初步实验研究
•     4.3.1 实验光路
•     4.3.2 无衍射散斑场的实验结果分析
• 第五章 无衍射散斑数字全息幻影成像的初步研究
•   5.1 数字全息幻影成像基本理论
•   5.2 实验光路结构
•   5.3 数字模拟实验及结果分析
• 第六章 总结
•   6.1 工作总结
•   6.2 存在的问题和工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 学术成果和参与项目
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵同磊

导师: 王玉荣

关键词: 无衍射散斑,数字全息幻影成像,轴棱锥相位分布,随机调制单元数目,方位角细分数目

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山东大学

分类号: O436.1

总页数: 94

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