1、激光散斑Laserspeckles 三级物理实验 内容简介 引言激光散斑现象与其特点激光散斑的应用散斑测量实验的内容数据处理的方法和结论 激光散斑概念 激光散斑 Laserspeckles 概念 当一束光照射到具有漫反射特性的粗糙表面上时 在反射光的空间中用观察屏去接受光总可以看到一些斑点 这就是激光散斑现象 激光散斑的特性 经透镜成像形成的散斑为主观散斑在自由空间传播形成的散斑是客观散斑散斑的大小 位移及运动是有规律的 它可以反映激光照明区域内物体及传播介质的物理性质和动态变化 随机过程 统计方法研究散斑的强度分布 对比度和大小分布等 激光散斑应用激光散斑测量技术具有光路简单 成本低以及调试
2、操作方便等优点 力学 建筑工程和机械设计方面的应用 利用散斑位移和散斑干涉图测量物体表面的形变和裂纹 损伤和应力分布2 在工业生产中的应用 利用对激光散斑的动态测量法测量生产线上工件及产品的移动速度3 在燃烧学和热物理中的应用 利用激光散斑照相技术测量火焰的结构和温度场的温度分布4 在医学研究中的应用 非侵入的测量皮肤下的微循环的速度 测量心脏的心动图 利用主观散斑的运动规律对人眼进行主观验光5 天文学测量中的应用 利用星体斑纹干涉术可以克服大气扰动的影响获得高分辨率的图像6 利用散斑进行光学图像处理 例如图像相减等 激光的产生 激光的产生 必须有激光器 而激光器必须具备三个主要的组成部分 1
3、 激活物质即被激励后能发生粒子数反转的工作物质 也称做激光工作物质 诸如氖 氩 CO2 红宝石及钕玻璃等 必须具备有亚稳态能级性质的物质 2 激励装置能使激活介质发生粒子数反转分布的能源 既称为激励装置 如各种激光器所具备的电源 3 光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质玻璃制成的谐振腔 产生激光的过程可归纳为 激励 激活介质 即工作物质 粒子数反转 被激励后的工作物质中偶然发出的自发辐射 其它粒子的受激辐射 光子放大 光子振荡及光子放大 激光产生 高斯光束的形成 以实验室常用的氦氖激光器为例说明 波长为632 8nm 3 39 m 1 15 m 激光器出射的高斯光束 d 2
4、50mm 0 0006328mm w0 0 2244mm d 2W0 高斯光束的复振幅表达式 高斯光束的传播公式 高斯光束过程中光束轮廓为绕Z轴旋转的双曲面 高斯光束特性图解 准直距离z0 2 w02 499 99mm w0 0 2244mm z R z 为在z处波面曲率半径 高斯光束经透镜后的变换 电荷耦合器 CCD CCD是Charge coupleddevices的缩写 CCD的空间分辨率与每个象元的尺寸和间距以及传输过程有关 本实验中大约为14微米 暗电流 主要由热产生 很高的光电灵敏度 CCD器件必须避免强光照射 同学们在每次采样完毕后应及时合上光窗或挡住光 光谱响应度 实验目的单光
5、束散斑技术 测量散斑的统计半径 通过计算散斑场各点光强的自相关函数并拟合求出 测量散斑的位移 通过计算两个散斑场各点光强的互相关函数并拟合求出 由以上两式求出照在毛玻璃上光斑的大小以及透镜的焦点的大小 毛玻璃的实际位移量等 实验仪器 He Ne激光器 632 8nm 实验平台及其光学附件 偏振器 全反射镜 凸透镜 毛玻璃 CCD 计算机直尺 毛玻璃 CCD P2 P1 O2 O1 O0 2W0 2W1 X2 X1 激光散斑的实验原理图 散斑统计半径理论公式 散斑平移量 X与毛玻璃的平移量d0之间的关系式 实验中的光路参数 d2 d1 P1 P2 2w 2w02 2w01 CCD He Ne H
6、e Ne激光器632 8nm 偏振器 全反射镜 凸透镜L 毛玻璃 CCD 计算机 P2 P1 d1 激光散斑的实验装置图 CCD像元尺寸为256x256像元 1像元 14微米 d2 毛玻璃横向移动 实验中采集的散斑图 自相关函数 单个散斑图的统计特性 Uk U 振幅矢量 光场的复振幅 光强值 理论公式 x2 y2 x1 y1 光强分布的自相关函数定义 单个散斑的自相关函数为 其中 复相干系数 实验公式 散斑的统计半径 自相关函数的高斯分布图 互相关函数 两个散斑图的相互关系 I x1 y1 I x2 y2 毛玻璃横向移动微小平移量d0 光强分布的互相关函数定义为 归一化的理论公式 复互相干系数
7、 毛玻璃的面内位移 互相关函数的高斯分布图 实验步骤之一 按图调好光路 在CCD前放白屏 分别移动白屏和毛玻璃 观察散斑大小变化 垂直光路移动毛玻璃观察散斑运动根据散斑现象的规律确定透镜的焦距把光路按图排好 插入双偏振片 打开CCD电源 打开计算机和图像采集程序 采集散斑图像 采集8幅图 程序拟合计算 记录数据实验完成 整理实验仪器 实验步骤之二 选作 按图调好光路 把毛玻璃换为胶体溶液的矩形样品池 在CCD前放白屏 分别移动白屏和样品池 观察散斑大小变化 垂直光路移动毛玻璃观察散斑运动根据散斑现象的规律确定透镜的焦距把光路按图排好 插入双偏振片 打开CCD电源 打开计算机和图像采集程序 采集
8、散斑图像 采集不同位置的胶体图像4幅图 程序拟合计算 记录数据 分析胶体颗粒的尺寸实验完成 整理实验仪器 实验相关函数的计算 利用CCD和计算机图像采集程序 10moons 得到BMP格式的图像 调用程序把BMP图像文件转化为二维数据文件 也就是得到了CCD面阵所在的这一面积上的光强值I i j I j 1 2 3 N0 利用这些值可以计算散斑场的归一化样本自相关函数和互相关函数 主要由计算机完成 计算机处理过程 样本值 CCD采集的数字化图像对应着一组光强的数值I i i 1 2 N0 样本相关函数定义 l 0 1 2 N0 平均光强 归一化样本函数 关于自相关函数拟合程序的解释 自相关函数
9、的理论公式 自相关函数的实验公式为 其中c和a为不等于1的正数 实验公式的拟合方法是 令然后等式两边取自然对数 令则可以用线性拟合公式进行拟合 一维自相关函数图 实验曲线 拟合曲线 一维互相关函数图 实验曲线 原始数据表格 1像元 14微米 注意事项 保持各光学元件清洁 切勿用手或手帕擦拭注意安全 绝对不允许用眼睛直视未扩束或聚焦的激光束 防止视网膜损伤 思考题 根据什么选择激光散斑测量的光路参数 P1和P2 为什么在本实验中散斑的大小用CCD像元 而毛玻璃与CCD表面的距离却可以使用卷尺测量 最小刻度1mm 毛玻璃的高斯光斑半径W 2 5mm 想在表征激光散斑大小的参数在CCD接受50个像元 毛玻璃距CCD接受面的距离P2为多少 如果用本实验方法测量全息光栅的周期分布 会有什么结果
