激光散斑測量2

1、激光散斑測量汪恒 PB07210294實驗?zāi)康耐ㄟ^對激光散斑大小的測量，了解激光散斑的統(tǒng)計特性，學(xué)習(xí)有 關(guān)散斑光強分布重要的數(shù)據(jù)處理方法。實驗原理激光散斑是由無規(guī)散射體(實驗中為毛玻璃)被相干光照射產(chǎn)生的。 散斑場按光路分為兩種，一種是在自由空間中傳播而形成的客觀散斑(本實驗研究的情況)，另一種是由透鏡成象形成的主觀散斑。散斑 的大小、位移及運動變化可以反映光路中物體及傳播介質(zhì)的變化。 試驗中用的是激光高斯光束，其傳播時光場的等振幅線在沿光路方 向為雙曲線。光斑最細的位置為束腰。激光經(jīng)過凸透鏡時其偏角會 變化，會產(chǎn)生新的束腰。毛玻璃離透鏡的距離改變時，照在其上的光斑半徑也隨之改變。實驗是通過用

2、計算機測量散斑的變化來算出 光路中毛玻璃的移動情況。激光散斑光強分布的規(guī)律由相關(guān)函數(shù)來描述。自相關(guān)函數(shù)為：G (x1,y1 ; x2,y2 ) = <1 (x1,y1) I (x2,y2)>歸一化后為：也 X2 + Ay 2g( x, y) =1 exp-(2)S其中：S 二P2/：W互相關(guān)函數(shù)為：GC( x1,y1 ; x2,y2 ) = <1 (x1,y1) I' (x2,y2)>(：xdx1 P2/ 珥R)h ry dy1P2/(R爪歸一化后為：gc(uxjy)=1exp-廠 -exp-廠 SS其中& = dx(1+P2/P(p)實驗內(nèi)容1. 調(diào)節(jié)

3、光路圖如下圖：1.氦氖激光器2.雙偏振片3.全反射鏡4.透鏡5.毛玻璃6.CCD 7.計算機2.調(diào)節(jié)光路的要求：（f =5cm, =632.8nm）。a ）各光學(xué)元件中心高度相等（21cm）b ）注意保護CCDc）調(diào)好光路后鎖緊磁性底座。3.程序操作和數(shù)據(jù)采集。4.光路參數(shù)和數(shù)據(jù)表格。1）自相關(guān)求散斑大小S。2）根據(jù)散斑位移求毛玻璃的移動數(shù)據(jù)處理1. 各個常數(shù)如下:激光波長 = 632.8nm常數(shù)二=3.14159265CCD像 素大小=0.0014cm激光器內(nèi)氦氖激光管的長度 d=25cm會聚透鏡的焦距所測數(shù)據(jù)為f （實際）=5.1cm激光出射口到透鏡距離d1=65cm透鏡到毛玻璃距離 P1

4、=15.29cm毛玻璃到CCD探測陣列面P2=50.85cm（移動5次后的量）毛玻璃垂直光路位移量 龍 和 小，dt=5小格=0.083mm小=02. 計算幾個理論值：Woi =0.25 632.8 103.1415926激光管口處腰束半徑為: 二 2.244 10*(m)二 0.2244(mm)經(jīng)過透鏡后高斯光束束腰距透鏡的距離為:f dr= 50-=5.37cm51-650650)2 . (：0.22442 )251 )(51 6.328 10“經(jīng)過透鏡后高斯光束束腰半徑為:W020.22442:0.2244")2(1 -650)2 ( $516.328 1051=0.00172

5、6cm故：P仁 15.29-5.37=9.92cmanW02/二 0.017262/6.328 10 = 1.479mm再由附錄取1公式計算出：W(p1)=W0(1 p12/a2)=0.01726 (1 99.22/1.4792)= 0.11578cm： (p1) = p1(1 a2/p12) =99.20 (1 1.4792/99.202) =9.922cmx = d (1 + p2 /?(P1) = 0.0083*(1 + 50.85 / 9.92)= 0.0508cm3. 實驗采集數(shù)據(jù)如下表：光路參數(shù)：P1 =15.29cm，：: ( P1)=96.47 P2 =50.85cm d =5

6、小格NoSSyS=(Sx +Sy)/2AXAY17.696477.687007.6917331027.229427.904967.5671922037.420677.829277.6249720047.901017.704817.8029126057.390277.534247.4622524166.853997.532937.19346S = 0.014(S+WS5 + S6)/6= 0.014 (7.692 7.567 7.624 7.803 7.462 7.193)/5= 0.106mm則可以求出照在毛玻璃上激光光斑的平均半徑P2632.8 10 書 0.5085S 3.1415926

7、0.106 10一3二 9.663 10“m 二 0.966mm4. x和二y的計算:對上述x, y求平均值:x =0.014*(31+22+26+24+20)/6=0.287mmy=0.014* (0+0+0+0+0+1 /6=0.0023mm求出毛玻璃的平均實際位移量也x1 P '(R)0.287 10”1 508.5/ 96.47= 4.576 10出 m 二0.046mm誤差分析1. 實驗數(shù)據(jù)與理論值比較:實驗中求得毛玻璃的平均實際位移量為0.046mm而理論值為0.083mm誤差較大。照在毛玻璃上的光斑半徑理論值為 1.1257mm 而實際測得為0.7571mm誤差較大2.

8、誤差原因分析：1）可能是因為光路調(diào)節(jié)不佳。2）另外光學(xué)儀器（如全反射鏡）表面受污染被弄臟。3 ）實驗中其它光源可能會影響到 CCD勺工作。4 ）實驗中氦氖激光器到透鏡的距離沒有比較準(zhǔn)確的測量。5）每次移動時很難保證移動距離都是 5小格，可能會有所偏差思考題1根據(jù)什么來選擇激光散斑的光路參數(shù)（P1, P2）?答：考慮散斑大小與CCD象元的關(guān)系，使CCDt可以拍攝到較多的散 斑，每個散斑又占據(jù)足夠多的像元數(shù)。2. 為什么在本實驗中散斑的大小用 CCD像元，而毛玻璃與CCD表面 的距離可以用卷尺測量？（卷尺的最小刻度為 1mm答：由公式w二丄和dx可知由于P2的數(shù)量級比毫米大兀 S 一 1 + F2,/P