随着对涡旋光束轨道角动量特性研究的不断发展,人们发现涡旋光束具有旋转多普勒效应,依据入射到旋转目标表面涡旋光束产生的多普勒频移,即可直接计算出旋转目标转速,这一发现对于光学遥感旋转目标探测领域来说具有十分重要的意义。然而,完全相干涡旋光束在遥感探测领域应用,易受大气环境影响,相比之下,部分相干光比完全相干光受湍流影响要小,并且传输距离越远,效果越明显。部分相干涡旋光束则是一类具有轨道角动量特性的部分相干光,相较于完全相干涡旋光束或普通部分相干光束具有更低的光束闪烁、漂移以及更强的自修复能力,在光学遥感探测旋转目标领域具有潜在的应用价值。因此,研究部分相干涡旋光束的旋转多普勒效应测量具有一定现实意义。本论文研究内容主要包括:针对部分相干涡旋光束的产生及轨道角动量特性,讨论了非高斯随机粗糙面各参数对经过其表面涡旋光束场分布的影响;结合测量涡旋光束拓扑荷值的双缝干涉法,研究了狭缝参数对部分相干涡旋光束干涉条纹的影响;针对涡旋光束旋转多普勒效应测量,利用古德曼散斑理论和轨道角动量谱理论,分析了部分相干叠加态涡旋光束的散斑场及轨道角动量特性。主要工作如下:1、基于角谱衍射理论,研究了非高斯随机粗糙面参数即方向自相关长度、峰度、偏斜以及均方根粗糙度,对经过其表面涡旋光束(拉盖尔–高斯光束)场分布的影响。同时在实验上,用CCD采集了通过不同粗糙度毛玻璃片(毛玻璃静止)涡旋光束的光强分布。发现除均方根粗糙度外,其余参数对涡旋光束光场分布影响不大,非高斯粗糙面方向自相关长度、偏斜、峰度分别取值为20 mm、0.001、6的条件下,均方根粗糙度大于0.12 mm时,拉盖尔–高斯光束透过非高斯随机粗糙表面后的光强将不再保持空心分布。实验上涡旋光束光场中心暗斑,随着通过毛玻璃目数的减小即表面粗糙度的增大而逐渐消失。2、利用双缝干涉法在近场条件下进行了部分相干涡旋光束拓扑荷值测量。双缝干涉条纹具有同时反映部分相干涡旋光束的相干度以及拓扑荷的特点。基于部分相干光交叉谱密度函数,结合杨氏双缝干涉理论及实验,分析了实验室近场条件下,不同双缝间距对部分相干涡旋光束干涉条纹的影响。理论分析可知,部分相干涡旋光束初始相干长度为5mm且光斑在双缝横截面处宽度为5 mm情形下,双缝间距大于1.5 mm时产生的干涉条纹观测效果较好,实验上,通过对不同双缝间距条件下,部分相干涡旋光束产生的干涉条纹分析可知,双缝间距大于光束暗斑尺寸时,部分相干涡旋光束产生的干涉条纹效果较好。3、基于古德曼散斑理论及轨道角动量谱理论,研究了叠加态涡旋光束的空间相干长度(毛玻璃转速)、拓扑荷值与其散斑场之间的关系。讨论了毛玻璃转速对叠加态涡旋光束轨道角动量特性的影响。研究表明:叠加态涡旋光束通过旋转毛玻璃产生的散斑,随着毛玻璃转速增大逐渐消失,对应的轨道角动量谱越弥散,生成的部分相干叠加态涡旋光束越不稳定。本文研究结果可以为部分相干涡旋光束旋转目标转速测量应用,以及未来目标转速光学遥感探测,提供一定的参考。