激光散斑测量

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。

G(l,m)1Nnxlnymi1j1I(i,j)I(il,jm))

【实验内容】

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 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，=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 5.7165 5.52 5.642 5.8786 Sx(像素) 6.6816 6.2469 6.5259 6.7978 Sy(像素) 0.08003 0.07728 0.07899 0.0823 Sx(mm) 0.09354 0.08746 0.09136 0.09517 Sy(mm) 表1

sxin5 5.8161 6.999 0.08143 0.09799 6 6.231 7.0185 0.08723 0.09826 平均值sx

i0.08003+0.07728+0.07899+0.0823+0.08143+0.0872360.08121mm

标准差UASx =0.00141mm ， 相对误差为1.7%

平均值syisyin0.09354+0.08746+0.09136+0.09517+0.09799+0.0982660.09396

标准差UASy =0.00169mm ， 相对误差为1.8%

亮斑面积不变，即πS2 = πsxsy

Ssxsy0.081210.093960.08735mm

UASyUASxSUAS =2sysx0.087350.001410.00169-31.5410mm20.093960.08121S =0.087350.00154mm ， 相对误差为1.7%

由SP2/W得：

WWSP2S0.0006328mm46.10cm0.08735mmWStpUAS1.063mm0.13784mm1.063mm

-3UwUS2.571.5410mm0.030mm， P0.95

W(1.0630.030)mm， P0.95

二、求出毛玻璃实际位移量

1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 X坐标 Y坐标 23 0 23 0 表2 17 0 17 0 18 0 Y=0，Δy=0，dη=0

d0=d2d2d

1-2实际位移量：

X=23，Δx=0.322mm

实际位移量d1-2d=1xP21xP2P10.322mm1（16552）mm461mm0.0634mm

（P1）2-3实际位移量：

X=23，Δx=0.322mm

实际位移量d2-3d=1xP21xP2P10.322mm1（16552）mm461mm0.0634mm

（P1）3-4实际位移量：

X=17，Δx=0.238mm

实际位移量d3-4d=1xP21xP2P10.238mm1（16552）mm461mm0.0469mm

（P1）4-5实际位移量：

X=17，Δx=0.238mm

实际位移量d4-5d=1xP21xP2P10.238mm1（16552）mm461mm0.0469mm

（P1）5-6实际位移量：

X=18，Δx=0.252mm

实际位移量d5-6d=1xP21xP2P10.252mm1（16552）mm461mm0.0496mm

（P1）

【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）？

由SP2W

WP2S，知Uw（S）UP2（22P2S22）Us

2又

SP2S2，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

P2WS8688mm

【改进与建议】

由于光学器件上手印、灰尘比较多，所以经反射的激光束散射较严重，不容易调整好，而且导致实验现象不是很好。建议如果可以的话清洗一下光学器件。

可以提供不同的毛玻璃片，比如厚度不同，材质不同（即粗糙度不同）。这样我们可以通过实验结果作下分析，能更好的了解激光散斑的原理和应用。

【应用】

对透明固体的厚度、粗糙度、非均匀性的测量