激光散斑测量 (4).doc

11系06级 姓名： 骆涛 日期： 08年3月23日 No.PB06210288 激光散斑测量 一、实验目的： 1）学习激光散斑的概念，了解高斯光束的传播特点及其束腰位置和大小的推导； 2）观察并测量激光散斑的大小，了解激光散斑的统计特性（光强分布相关函数的推导），学习有关散斑光强分布的数据处理方法。 二、实验原理： 激光散斑是由无规散射体（实验中为毛玻璃）被相干光照射产生的。散斑场按光路分为两种，一种是在自由空间中传播而形成的客观散斑（本实验研究的情况），另一种是由透镜成像形成的主观散斑。散斑的大小、位移及运动变化可以反映光路中物体及传播介质的变化。 试验中用的激光高斯光束，其传播时光场的等振幅线在沿光路方向为双曲线。光斑最细的位置为束腰。激光经过凸透镜时其偏角会变化，会产生新的束腰。毛玻璃离透镜的距离改变时，照在其上的光斑大小也随之改变。由于这些散斑的大小是不一致的，因此这里所谓的大小是指其统计平均值。它的变化规律可以用相关函数来描述。实验中利用计算机计算散斑场各点光强的自相关函数拟合求出散斑的统计半径，然后测量散斑的位置变化（用互相关函数表达）来算出光路中毛玻璃的移动情况。 自相关函数为： G（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ(x1,y1) Ｉ(x2,y2) 〉 归一化后为： 其中： 互相关函数为： GC（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ(x1,y1) Ｉ’(x2,y2) 〉 归一化后为： 其中 本实验中用到的一些已知参考量： 激光波长l = 0.0006328mm 常数p = 3.14159265 CCD像素大小=0.014mm 激光器内氦氖激光管的长度d=250mm 会聚透镜的焦距f’=50mm 激光出射口到透镜距离d1=650mm 透镜到毛玻璃距离d2+P1=193mm 毛玻璃到CCD探测阵列面P2=533mm 毛玻璃垂直光路位移量dx 和dh，dx=3小格=0.03mm，dh=0 三、实验器材： 氦氖激光器，双偏振片，全反射镜，透镜 ，毛玻璃，CCD，计算机。 四、数据处理： 实验原始数据已提交实验室。 实验装置图 1.氦氖激光器 2.双偏振片 3.全反射镜 4.透镜 5.毛玻璃 6.CCD 7.计算机 1 2 3 4 5 6 7 19.3 53.3 实验光路图如下（单位：cm）： No Sx Sy Δx Δy 1 38.193 38.307 2 39.143 35.221 11 0 3 37.579 36.379 10 0 4 38.093 38.436 11 0 5 37.564 38.200 10 0 6 38.326 38.933 11 0 S1=(Sx＋Sy)/2=(38.193+38.307)/2=38.250(像素) S2=(Sx＋Sy)/2=(39.143+35.221)/2=37.182 (像素) S3=(Sx＋Sy)/2=(37.579+36.379)/2=36.979 (像素) S4=(Sx＋Sy)/2=(38.093+38.436)/2=38.265(像素) S5=(Sx＋Sy)/2=(37.564+38.200)/2=37.882 (像素) S6=(Sx＋Sy)/2=(38.326+38.933)/2=38.630 (像素) 下面先计算理论值： 激光管口处束腰半径和凸透镜焦距默认为参考值。 由公式得： 由公式得： p1=139.55（mm） Dx = dx (1 + p2 / r(P1))＝0.03×(1 + 533/ 139.55)＝0.1446（mm） Dy= dh (1 + p2 / r(P1))＝0mm 而由实验所得的值计算得： S= (S1+S2+S3+S4+S5+S6)/6 = (38.193+39.143+37.579+38.093+37.564+38.326)/6 =38.150（像素）= 0.014×38.150 =0.534（mm） 照在毛玻璃上激光光斑的平均半径为： Dx =0.014×(11+10+11+10+11)/5=0.1484（mm） 毛玻璃的平均实际位移量为： 误差分析： 1）试验中求得毛玻璃的平均实际位移量为0.0308mm，因为人手很难精确的转动三个小格，以保证移动距离正好是0.03毫米，总要有所偏差，并且应该是该误差的主要来源。 2）激光器的参数是根据讲义来的，没有进行实测，可能与实际情况不完全一致，其工作状况也可能发生波动。 3）实验室的其他光源可能影响CCD的工作。 4）由于该实验的结果实际是统计值，因而在很大程度上依赖于取样的好坏，必须保持散斑数量与大小的均衡，这点不能很好把握必然会引起误差。 思考题: 1.激光散斑测量的光路参数（P1,P2）选择是根据什么？ 答:为了得到对散斑光强分布的良好的统计结果,应考虑散斑大小与CCD像元大小的关系,选择适当的距离P1,P2使CCD上可以拍摄到较多的散斑,而且每个散斑又占据足够多的像元数. 2.为什么在本实验中散斑的大小用CCD象元，而毛玻璃与CCD表面的距离可以用卷尺（最小刻度为1毫米）？ 答: 由于散斑的大小非常小,小于卷尺的最小刻度,故要用更加精密的仪器CCD测量, 而毛玻璃与CCD表面的距离同散斑的大小相比大的多,用卷尺（最小刻度为1毫米）测量也不会带来大的影响. 思考讨论： 1．做完实验后，思考本实验的用途，觉得他可以用于以下几个方面： （1）可以用本实验原理测量物体的微小位移量 （2）可以用其他透明物体代替毛玻璃，来测量其粗糙度 2．实验改进建议： 如果把全反射镜，透镜，毛玻璃，CCD安装在同一个可以滑动的带有刻度的光具座上就可以使各个仪器之间的距离测量更加准确。