人类通过双眼和光学仪器观察世界,但散射会严重扰乱光的传播,使透过散射介质实现聚焦和成像变得异常困难。通过反馈优化的方式对输入光进行相位调制,可以修正散射造成的波前畸变,从而在输出光场特定目标上实现聚焦。因此,提出了一种基于文化基因算法实现透过散射介质聚焦的方法。该方法结合全局搜索和局部搜索,将透过散射介质实现的聚焦抽象化为文化的进化过程。仿真和实验结果表明,相比基于遗传算法和粒子群优化算法的聚焦方法,本方法在聚焦效果和时间消耗上均具有明显优势,在光场调控领域具有良好的应用潜力。

当偏振光在散射介质中传播时,由于散射粒子的多重散射作用而造成偏振信息的扰乱和丢失。为了保证偏振信息在散射介质中高效和高保真的传输,提出一种基于深度学习的透过散射介质偏振识别方法。通过构建卷积神经网络来提取散斑光强信息中入射光波偏振信息的特征,实现对入射光波偏振态的高分辨率识别,并使用初始相位不同的偏振光来验证卷积神经网络对偏振态识别的鲁棒性。实验结果表明,所提方法具有识别速度快和准确率高的优点,理论上可以通过无限大的数据来训练神经网络,因此该方法在偏振光学成像和激光通信等领域具有巨大的应用潜力。

在光学传输矩阵的基础上,提出一种基于weighted Gerchberg-Saxton (GSW)算法的迭代聚焦方法。将利用传输矩阵求解调制相位的过程抽象为相位恢复问题,将传输矩阵与均方优化算子作为散射系统变换算子来迭代优化调制相位。通过仿真和实验证明,相比相位共轭法、均方优化算子,所提方法具有更显著的多点聚焦效果,为光场能量调控领域提供了新的思路。

由于散射介质的强散射作用,传统光学成像系统无法对散射介质后的物体进行成像与运动追踪。针对这一问题,提出了一种透过散射介质对运动物体进行追踪与重建的方法。基于散射介质的光学记忆效应理论,通过先验信息解算散射成像系统的点扩展函数,利用点扩展函数的轴向缩放关系确定轴向位移,利用重建物体的互相关确定横向偏移。基于此方法搭建的实验系统也很好地实现了散射介质后物体的快速重建与运动追踪。所提方法仅需采集移位物体的连续散斑图像即可追踪物体位移,无需特定装置且效果优异,有利于透过散射介质成像在生物医学领域的应用。

在常温常压下,采用手持式激光诱导击穿光谱仪(LIBS)对铝合金中的镁、钛元素进行定量分析,以验证其稳定性及可靠性。手持式LIBS内置1064 nm Nd∶YAG 脉冲激光器,光路为反射式同轴结构。实验中采用AvaSpec-Mini 2048光谱仪,测量波长范围为240~420 nm。选取镁元素在285.17、383.83 nm处的特征谱线,钛元素在323.45、334.94 nm处的特征谱线,结合偏最小二乘法建立定标曲线模型。同种元素在不同特征谱线下的定标曲线斜率接近,线性相关系数R值均在0.9893及以上。测量结果与标准值具有较好的一致性,测量值相对误差均在8.70%及以下,样品中镁、钛元素检出限可达到10 ^-4量级。说明手持式LIBS能够实现对铝合金中镁、钛元素的定量分析,从而验证了手持式LIBS具有较好的稳定性和可靠性,对LIBS便携化的发展具有十分重要的意义。

为研究拉盖尔-高斯(LG)光束在经过凸台周围流场后的气动光学效应,采用二阶紧致差分和四阶龙格库塔积分对抛物型的复振幅方程进行求解,比较了具有不同拓扑荷数的LG光束在同一流场环境下的光强分布、同一光束在同一流场中数值仿真的光程差(OPD)分布与沿光束路径积分的OPD分布,以及不同拓扑荷数的LG光束与高斯光束在不同马赫数、不同攻角、不同海拔下的Strehl比(SR)以及成像偏移。仿真结果表明,在同一流场中,LG光束的拓扑荷数越大,振幅形态保持越好,但光强衰减越大,成像偏移越大。而同一流场下拓扑荷数对LG光束的SR数值几乎无影响,LG光束的相位稳定性均优于高斯光束。在振幅稳定性方面,与高斯光束相比,LG光束受海拔和攻角变化的影响更大。

采用非均匀采样与功率谱反演法产生与湍流尺度相关的各向异性非Kolmogorov湍流随机相位屏，进而利用空间光调制器模拟研究圆艾里高斯涡旋光束在大气湍流中的漂移特性和轨道角动量态变化。数值模拟和光学实验结果均表明，圆艾里高斯涡旋光束的漂移值随光束衰减系数、光束主半径、大气湍流外尺度和传输距离的增大而增大，随湍流各向异性系数和光束拓扑荷值的增大而减小，并且在湍流幂律值为3.3附近有极大值。此外，通过对比圆艾里高斯涡旋光束经过大气湍流前后的干涉条纹图样，发现整数阶时拓扑荷值越小，光束经过湍流之后拓扑荷值稳定性就越好。

利用近年来发展的描述海洋湍流的空间功率谱函数，结合数值积分的方法计算并绘制了广义惠更斯菲涅耳积分中湍流项的大小随湍流参数变化的曲面图。继而通过魏格纳分布函数和光束二阶矩的定义模拟了部分相干厄米高斯(PCHG)光束的M2因子在海洋湍流中的变化情况，分析了光源参数的选择对于光束传输质量因子的影响。最后通过M2因子矩阵，计算了非旋转对称二维PCHG光束传输质量随旋转角α变化的轨迹图。发现随着传输距离的增大，在接收面上，光斑因x，y方向上模式的不同而造成轨迹图的形状的不同将逐渐消失，趋近于相同的圆形轨迹。

利用广义惠更斯菲涅耳原理计算高阶贝塞尔高斯光束(BGB)在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下传输的横向光强分布特性。该模型中，湍流对相位干扰的大小与距离和幂律有关。在远距离处，幂律对干扰大小的影响较为明显。通过Matlab进行数值计算的结果表明，远距离处(10 km)的各阶BGB光束光强分布形式均有很大展宽，同时它们随幂律的变化也相对于短距离时更为剧烈。高阶BGB光束受到湍流干扰的影响要小于低阶光束。对于同阶光束来说，横向参数越大的光源在湍流中传输的展宽现象也越为明显。

基于电磁波的散射理论，研究了电磁平面波入射到准均匀各向异性介质的散射远场相干特性，得到了各向异性准均匀介质三维散射远场的光谱密度和光谱相干度的表达式。仿真结果表明，在各向异性准均匀介质散射势的每一个分量都是高斯相关的情况下，各向异性介质的光谱密度近似为对应的各向同性介质的光谱密度的平均，但是每个分量的权重不同，而且该权重是随着散射角度的变化而变化的。各向异性介质的光谱相干度与各向同性介质的光谱相干度则有非常大的差异，前者是分三个阶段振荡的，并且在某些散射角度范围内，呈现出与对应参量的后者几乎一致的现象。