激光散斑实验.docx

激光散斑及其应用（凝聚态物理 北京师范大学）[摘要]相干光射到粗糙表面上时，由于散射单元的分布完全任意，导致散射光到空间各点的位相差随机分布，因此干涉图样随机分布，形成激光散斑。本实验通过设计光路，观察到激光散斑的图像；并且移动被测物体，在干板上产生散斑对，即微小杨氏双缝，通过设计读出光路，观察到干涉图样，根据干涉条纹间距计算物体的微小位移，得到的误差不超过5%。实验原理激光散斑的形成一束激光照射到一粗糙表面上，如毛玻璃，在毛玻璃后面放一屏幕。仔细观察屏幕，会发现屏幕上的光强不是均匀分布的，而极多的毫无规律的随机分布的斑点。当毛玻璃移动时，这些随机分布的斑点会发生变化。这些随机分布的斑点就是激光散斑。它是怎样形成的呢？我们知道，激光具有极好的相干性，而一个粗糙表面可以看成是许多彼此独立的散射单元。当一束相干的光射到这些散射单元上时，每个散射单元都有散射光到达空间一点P，这些光彼此间有一定的位相差，因而在P点发生干涉。同样在空间个点都会发生散射光的干涉。由于粗糙表面上散射单元的分布是完全任意的，因此，散射光到空间个点的位相差是随机分布的，干涉图样也是随机分布的，极大与极小的分布毫无规律，这就形成了激光散斑。这种散斑是全空间分布的，非定域的，故称为空间散斑。图1 空间散斑的形成图2 象面散斑的形成还有另一种形成的散斑。如果一粗糙表面经过透镜成像，则物面上的每一个点在象面上都有一个相应的扩展函数。物面上相邻 若干点在象面上对应的扩展函数彼此发生重迭，即物面上相邻的若干个点发出的光在象面上一个小区域内重迭。这些彼此重迭的光之间有一定的位相差，在象面上产生干涉。由于这个位相差是随机分布的，因此象面上的干涉图样也是随机的。这样形成的上那边叫象面散斑。象面散斑是定域的干涉（如图2）。由上面的叙述可知，如果透镜的分辨率极高，物点的扩展函数成为函数，则若干相邻物点的象不发生重迭，因此就不能形成散斑。这是象面散斑与空间散斑的区别之一。由于散斑分布是随机的，其分布规律的严格讨论要用统计理论，这里不作详细叙述。如果希望深入了解，可以参阅J. C. Dainty编写的《激光斑纹及有关现象》和M. Francon编写的《Laser Speckle and Application in Optics》。详细的讨论可以得到散斑有一平均直径，L如图1，图2所示。对于空间散斑D是粗糙表面被照部分的直径，对于象面散斑D是透镜出瞳的直径。散斑对的干涉现象及应用由于激光散斑的存在，在全息照相及许多全息技术中，都会出现由散斑所产生的“噪声”，给我们带来不好的影响。因此消除散斑的影响是一个很重要的问题。然而，散斑在某些方面也得到了应用。本实验中我们不讨论消除散斑的问题，而只介绍散斑的两个应用。测量微小位移在被测物体上固定一块照相干板，激光射到粗糙表面后再照射干板，曝光一次， 则干板上记录下一个散斑分布，设此散斑分布为。然后使被测物体做一微小位移，再做一次等时曝光，底片上又记录下一个散斑分布。由于位移极小，可以认为粗糙表面上各散射单元到干板上一点的光程不变。因此底片上记录的第二个散斑分布同第一次的一样，记为。两次曝光后，底片上总的光强分布为底片的透射率为将底片放在一透镜的前焦面上，用平行光照射。设平行光振幅为，透射光为，则在透镜的后焦面上，得到透射光复振幅的频谱为其中第一项表示中央亮点，对于第二项，我们在谱面上看到的强度是我们发现，这正是杨氏双缝干涉的强度公式，我们将看到一组平行等距的直条纹。图3 散斑对这个现象怎样理解呢？第一次曝光底片上记录下一个散斑分布，由于第二次曝光时，位移量极小，可以认为底片上的散斑分布不变，而只是整个散斑分布整体平移微小位移。因此，底片上形成很多散斑对，如图3所示。每个散斑对都相当于一个杨氏双缝，并且这些散斑对的间距相等，其轴线也都是互相平行的。把这张底片放在透镜前用平行光照射时，在后焦面上，每个散斑对产生的杨氏干涉条纹相互叠加（非相干叠加），形成较为明亮的条纹。在焦距为f的透镜后焦面上观察杨氏干涉条纹，我们知道，条纹间隔为，现在缝距就是位移量。所以，测出条纹间隔就可以得到微小位移。必须注意一点，位移不能小于散斑的平均直径，否则不能形成散斑对。但是位移也不能过大，否则散斑分布发生变化，上面的讨论不能成立。图像相减（作为扩展内容）光路图空间散斑象面散斑读出光路实验步骤按照空间散斑光路图打好光路，观察屏幕上的斑点。移动毛玻璃G，观察散斑分布的变换，加深对散斑随机分布的认识。装上底片，曝光一次，将G作适当位移，再作一次等时曝光，处理底片。按照读出光路搭好光路，把步骤2中制作的底片分布放入，会看到有干涉条纹。测量条纹间隔，有，计算位移量。实验数据及分析计算散斑的平均直径，将波长632nm，干板到毛G的距离L=0.5m，G的直径D=3cm带入公式：平移干板