以广义惠更斯-菲涅耳原理为基础,推导高斯谢尔模型光束在生物组织中的光谱解析表达式,并利用归一化光谱和相对光谱移动,研究高斯谢尔模型光束在生物组织中传输时的光谱变化。结果表明:高斯谢尔模型光束在生物组织中传输时会出现光谱蓝移、红移及跃变,且与离轴距离、传输距离、生物组织类型(不同的折射率结构常数)及空间相关长度有关;随着传输距离增大,折射率结构常数增大,即生物组织湍流越强,空间相关长度越大,光谱跃变位置越远,跃变量越小,即光谱跃变现象越弱,光谱红移转变为蓝移的传输位置越远;折射率结构常数和空间相关长度越大,光谱跃变对应的离轴距离越大,即跃变的观察点到传输轴的距离越大。

理论分析了螺旋贝塞尔光束的产生机理。根据高斯-谢尔模型的交叉谱密度公式及交叉谱密度传播理论,推导得出了部分相干螺旋贝塞尔光束的表达式。研究了部分相干螺旋贝塞尔光束的传输特性,同时分析了相干度对其传输特性的影响。结果表明,随着传输距离的增加,光束截面光强分布对比度逐渐下降,光场分布由贝塞尔型分布逐渐向高斯型分布转变,但是光束仍具备螺旋自加速特性;高阶光束出现了暗核消退现象,并且暗核消退距离随阶数的增加而增加。随着相干长度的下降,贝塞尔光场分布区间逐渐减小,光束的无衍射距离缩短。同时,探讨了光场调控对光束的影响,其中包括了全息片的参数设定以及光场相干度的调节。

提出利用交叉谱密度函数描述焦散光束, 将焦散光束的研究范围从相干光拓展到部分相干光领域.结合菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式, 导出焦散光束在自由空间中的传输表达式.理论分析了光束射入不同倾斜角度轴棱锥引起的像散对焦散光束的影响, 并设计相关实验进行了验证, 实验结果与数值模拟相吻合.进一步研究入射光场相干性对焦散光束的影响, 发现随着入射光场空间相干长度的降低, 焦散光强的明暗分布会慢慢变模糊, 光束中心的光点阵列逐渐消失.

利用LED光源产生焦散光束,并应用交叉谱密度函数及多光谱叠加的原理计算了轴棱锥后LED部分相干焦散光束的光强分布。理论分析和实验结果验证了像散等参量对焦散光束的影响。通过研究传输距离对LED焦散光束的影响发现,随着传输距离增大,焦散光束星状外轮廓尺寸变大,中心光斑逐渐向外环对称分裂,同时中心光强相应减弱,光点阵列衬比度逐渐降低,最终将演化成近似空心光束。研究结果丰富了焦散光束的内涵,为LED焦散光束的实际应用提供了理论基础和实验依据。

为了利用Airy光束的无衍射、自恢复和自弯曲特性抑制大气湍流效应, 实现远距离无线光通信, 对部分相Airy光束在大气湍流中传输时的光强演化进行了研究.利用高斯谢尔模型的交叉谱密度函数、广义惠更斯菲涅尔原理以及Rytov相位近似法, 推导了部分相干Airy在湍流大气中平均光强的表达式.分别从传播距离、湍流强度等方面对光强分布的影响进行了模拟仿真, 并对光束自身参数对光强分布的影响进行了相关实验验证.结果表明: 随着传播距离的增加, 部分相干Airy光束的旁瓣逐渐衰减, 主瓣逐渐扩散; 在传播足够远时, 其旁瓣逐渐消失, 主瓣逐渐演化为高斯分布.仿真和实验结果一致表明光束的截断因子越小、特征长度和相干长度越长, 光束的光强分布保持越完整.

基于Andrews和Philips的经典漂移方差模型, 结合部分相干艾里光的交叉谱密度函数和Tatarskii功率谱, 推导出部分相干艾里光在大气中传输时的光束扩展和漂移解析式, 对比分析了不同的衰减因子、湍流强度和相干度等参数对部分相干艾里光的光束扩展和漂移的影响, 并与高斯光束所得结果进行了比较.研究表明: 衰减因子、湍流强度和相干度等对光束漂移影响较大, 当它们的取值增大时, 漂移越严重; 内尺度对光束漂移几乎没有影响; 在相同的条件下, 艾里光束的光束漂移要比高斯光束小两个数量级, 且其本身具有自恢复特性和较强的抑制湍流特性.

研究了部分相干高斯谢尔光束在大气湍流中的到达角起伏.主要采用湍流内外尺度的修正Von Karmon谱模型及广义惠更斯-菲涅尔原理和交叉谱密度函数推导出了部分相干光在大气湍流中的到达角起伏表达式.对比分析了湍流内外尺度、湍流强度、传输距离、源相干参数以及波长等参数对部分相干光在大气湍流水平路径上传输时的到达角起伏的影响.结果表明: 随着传输距离的增加, 到达角起伏越来越小; 随着大气湍流内外尺度和源相干参数的增加, 到达角起伏也越来越大; 与部分相干光相比, 完全相干光的到达角起伏受湍流影响很小; 随着波长和湍流强度的减小, 到达角起伏越来越小.

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Stokes参数法研究了部分相干平顶电磁光束在湍流大气中斜程传输的偏振度特性，不仅讨论了电磁光束同一极化方向上的偏振度以及交叉极化的偏振度，还讨论了光束阶数、天顶角、频率、接收高度等因素对偏振度的影响。数值分析结果表明：激光在湍流大气中斜程传输时通过提高接收高度可减小天顶角对偏振度的影响；光束偏振度随着光束阶数的增大而减小；在中心角频率附近，偏振度随着频率的增大而减小；与只考虑同极化的偏振度不同，考虑交叉极化的偏振度时，偏振度随着传输距离的增大，变化无界。

理论上利用高斯谢尔模型和交叉谱密度的传播公式得到部分相干Bessel光束经过环形孔径的光强表达式.通过Mathcad软件数值模拟光强表达式, 得到在不同传播距离的截面光斑图, 结果表明部分相干Bessel光束在经过环形孔径后会产生空心光束.实验中以绿光LED为光源, 经轴棱锥聚焦得到部分相干Bessel光束, 在其无衍射距离内放置环形孔径.使用体视显微镜照相系统拍摄部分相干Bessel光束经过环形孔径的衍射光斑图, 得到的结果与模拟结果吻合.

利用杨氏双缝和马赫曾德干涉提出一种检测随机电磁光束的广义斯托克斯参数的实验方法.部分相干光通过杨氏双缝后，用光阑、半波片和偏振片组成的马赫曾德干涉光路进行处理，检测干涉条纹的相干度和单个缝的光场强度，得到光束的交叉谱密度矩阵，进而得到光束的广义斯托克斯参数.实验结果表明，同方向偏振的光分量的空间相干度高于正交偏振方向的光分量.该方法可用于研究光束传播过程中的偏振特性和相干特性的变化.