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激光
测量
学号:PB07203143 姓名:王一飞 院(系):物理系
激光散斑测量
【实验原理】
激光通过透明散射体,在空间各处发生散射。由于激光具有高度相干性,所以屏上每一点都是由数个相干光线叠加而成。由于随机性,一些位置叠加后光强增加,另一些减小,但整体有一定统计规律,形成激光散斑。
统计规律可用自相关函数G(x1,y1;x2,y2)=〈I(x1,y1) I(x2,y2) 〉和互相关函数GC(x1,y1;x2,y2)=〈I(x1,y1) I’(x2,y2) 〉来描述。
用CCD取像,利用如下算法输入计算机编程计算。
图1 实验装置 1.氦氖激光器, 2..全反射镜, 3.双偏振片,4.透镜,5.毛玻璃, 6.CCD, 7.计算机
1
2
3
4
5
6
7
【实验内容】
1、熟悉实验装置
本实验所用的装置放在光学平台上,如图4所示。氦氖激光器(本实验中用长250毫米的内腔式氦氖激光器,l=632.8nm)的光束穿过各个元件的通光口径的中心。光学元件有:双偏振器(用来调节光强),透镜(用来改变激光束的发散角),毛玻璃(用来产生散斑)。接收器件采用CCD器件,由CCD器件采集的光强信息经过采集卡(插在计算机的插槽内)进行AD变换,由模拟信号变成数字信号,再显示在计算机屏幕上,此数字信号同时存入计算机软盘或硬盘上便于数据处理。
2、观察客观散斑场
实验时先打开激光源,调节支架上的微调螺旋,使细激光束通过双偏振器、透镜和毛玻璃投射到CCD表面。用一个白纸屏前后移动观察散斑场的分布情况。通过观察得到对激光散斑的对比度、形状和大小定性认识。
3、用CCD拍摄散斑图
将经透镜扩展的激光束投射到毛玻璃上,在毛玻璃和CCD之间形成空间散斑场。测量出透镜后激光的焦点(即束腰)至毛玻璃以及毛玻璃至光强分布仪表面的距离。从计算机中调出采集程序进行采集。
4、数据处理
计算拍摄的散斑图的样本自相关和互相关函数。按附录4处理数据,求得散斑图上散斑颗粒的统计平均值S及两个散斑图的位移Δx1Δy1,并根据光路参数P1P2,计算出激光高斯光束照在毛玻璃上的半径W和毛玻璃进行面内位移d0的值。
【数据处理】
一、利用自相关函数求毛玻璃上的半径W
1像素=14μm 束腰=5.2cm P1+束腰=16.5cm P2=46.1cm
1
2
3
4
5
6
Sx(像素)
5.7165
5.52
5.642
5.8786
5.8161
6.231
Sy(像素)
6.6816
6.2469
6.5259
6.7978
6.999
7.0185
Sx(mm)
0.08003
0.07728
0.07899
0.0823
0.08143
0.08723
Sy(mm)
0.09354
0.08746
0.09136
0.09517
0.09799
0.09826
表1
平均值
标准差 , 相对误差为1.7%
平均值
标准差 , 相对误差为1.8%
亮斑面积不变,即πS2 = π
, 相对误差为1.7%
由得:
二、求出毛玻璃实际位移量
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
X坐标
23
23
17
17
18
Y坐标
0
0
0
0
0
表2
Y=0,Δy=0,dη=0
1-2实际位移量:
X=23,Δx=0.322mm
实际位移量
2-3实际位移量:
X=23,Δx=0.322mm
实际位移量
3-4实际位移量:
X=17,Δx=0.238mm
实际位移量
4-5实际位移量:
X=17,Δx=0.238mm
实际位移量
5-6实际位移量:
X=18,Δx=0.252mm
实际位移量
【思考题】
1、 激光散斑测量的光路参数(P1,P2)选择是根据什么?
采样点总数越大,实验相关函数就越接近理论相关函数。但采样点总数有限,所以激光散斑测量的光路参数(P1,P2)选择要使CCD上有足够多的散斑且散斑较为平均。
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)?
又,所以P2的测量精度不需要很高,卷尺即可
3、 毛玻璃上高斯光斑半径W=2.5mm,想使表征激光散斑大小的参数S在CCD接收面上为50个象元,毛玻璃距CCD接收面的距离P2为多少?
已知W=2.5mm,S=50×0.014mm=0.7mm,λ=0.0006328mm
【小结】
应用:对透明固体的厚度、粗糙度、非均匀性的测量