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激光散斑实验

什麽是激光散斑现象?

激光散斑现象的特点

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

什麽是激光散斑现象?

当一束激光照射到具有漫射特性的粗糙表面上时，在反射光的空间中用一个白色的屏去接收光总可以看到一些斑点。这就是激光散斑现象。

经透镜成象形成的散斑是主观散斑。在自由空间传播形成的散斑叫做客观散斑。

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内物体及传播介质的物理性质和动态变化。

激光散斑的现象应用

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。

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。

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。

在医学研究中的应用：非侵入的测量皮肤下微循环的速度。测量心脏的心动图。利用主观散斑的运动规律对人眼的进行主观验光。

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的图象。

利用散斑进行光学图象处理：例如图象相减等。

He-NeLaser

PC

CCD

毛玻璃

透镜

客观散斑场

激光的产生

激光工作物质被激活(光、电能等)后产生粒子数反转，发生受激辐射，能使光得到放大。光在由两片高反射率的镜片和激活物质组成的谐振腔之间多次的反射形成激光输出。

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）

由激光器出射的高斯光束

d=250mm，=0.0006328mm，w0=0.2244mm

d

2W0

高斯光束的复振幅表达式：

0.135I0

I0

I

W0

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

R(z)z处波面曲率半径

z

高斯光束经透镜后的变换

d1

d2

2W01

2W02

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

400

1050

mA/W

波长/nm

实验中的光路参数

d1

d2

p1

p2

2w

2w02

2w01

CCD

He-Ne

实验目的

1)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)

2)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寻峰求出)

3)由上两式求出照在毛玻璃上光斑的大小以及透镜焦点的大小,毛玻璃的实际位移量等.

毛玻璃横向移动

实验中采集的散斑图

自相关函数

理论公式

实验公式

+



互相关函数

理论公式

x

gc

实验相关函数的计算

利用CCD和采集卡（10moons）得到的是BMP格式的图象文件，调用程序可以将BMP图象文件转化为两维的数据文件，也就是得到了CCD面阵所在的这一面积上的光强的值I（i,j）(i,j=1,2…,N0)。利用这些值就可以计算散斑场的归一化样本自相关函数和互相关函数。这些由计算机完成。

关于自相关函数拟和程序的解释

自相关函数的理论公式为：

自相关函数的实验公式为：g(x)=c+aexp((x/S)2)

其中c和a为不等于1的正数。

实验公式的拟和方法是：令y=g(x)c，b=1/S2

然后等式两边取自然对数：log(y)=log(a)+bx2

令Y=log(y)，A=log(a)，X=x2，则可以用线性拟和公式进行拟和：Y=A+bX

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