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。

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.

基于广义Huygens-Fresnel原理和Rytov相位结构函数二次近似的方法，推导出了径向分布高斯-谢尔模(GSM)阵列光束在湍流大气中传输时的交叉谱密度函数解析表达式，并利用表征光束相干性的空间复相干度系数，详细分析了GSM阵列光束在大气湍流中传输时的空间相干性变化规律。研究结果表明：径向分布GSM阵列光束的空间相干性由子光束空间相干长度、传输距离、大气折射率结构常数及相对径向填充因子等因素共同确定；径向分布GSM阵列光束通过湍流大气时，其空间相干度在传输过程中会出现多峰值现象，但是随着传输距离增大，多峰值现象逐渐消失并趋向于高斯分布，并且随着距离增大空间相干度宽度逐渐减小，光束空间相干性变差。

大气湍流严重影响了无线激光通信系统的性能，而孔径平滑效应能有效抑制湍流引起的光强闪烁效应。采用包含内外尺度影响的修正von Karman湍流谱模型，并根据Tatarskii给出的孔径平滑因子定义式和波场交叉谱密度函数的互相干函数近似原理，得到了高斯-谢尔模型（GSM）光束的闪烁孔径平滑因子。讨论了光源相干参量、湍流强度及湍流内外尺度对高斯-谢尔模光束闪烁孔径平滑效应的影响。结果表明：随着湍流的增强，部分相干光抑制湍流效应的作用逐渐减弱，并且湍流越强孔径平滑因子达到饱和的速度越快；湍流外尺度对孔径平滑因子的作用可忽略，内尺度对孔径平滑因子的影响显著，在分析光强闪烁问题时内尺度应作为重要影响参数之一。

理论分析和实验研究了光源相干度对其产生的Bessel光最大无衍射距离的影响.以He-Ne激光器为光源, 用旋转毛玻璃法产生部分相干光, 经过扩束后再用轴棱锥法产生Bessel光束.通过移动旋转毛玻璃改变部分相干光的相干度, 测量其产生的Bessel光束的最大无衍射距离, 得到光源相干度与产生Bessel光束最大无衍射距离的关系.结果表明, 随着光源相干度的降低, Bessel光束最大无衍射距离明显变短, 当相干度g≈1下降为g=0.8时, 最大无衍射距离缩短了一半.用高斯-谢尔模型进行分析和模拟, 理论模拟结果与实验观察结果基本吻合.

建立了随机电磁光束通过大气湍流的传输模型, 并对比研究了高斯-谢尔模光束在大气湍流和自由空间的传输特性。研究表明, 光谱偏振度随传输距离变化, 并在远场趋于稳定; 得到了远场稳定偏振度的解析表达式, 其在大气湍流传输中与光束的自相关长度和互相关长度无关; 光谱相干度在自由空间的远场趋于1, 而在大气湍流的远场趋于0, 并且湍流强度越大光谱相干度下降越快, 光谱密度衰减越快。