激光散斑测量.doc

实验题目：激光散斑测量 35 85 实验目的：通过对激光散斑大小的测量，了解激光散斑的统计特性，学习有关散斑光强分布重要的数据处理方法。 实验原理： 激光散斑是由无规散射体（实验中为毛玻璃）被相干光照射产生的。散斑场按光路分为两种，一种是在自由空间中传播而形成的客观散斑（本实验研究的情况），另一种是由透镜成象形成的主观散斑。散斑的大小、位移及运动变化可以反映光路中物体及传播介质的变化。 试验中用的是激光高斯光束，其传播时光场的等振幅线在沿光路方向为双曲线。光斑最细的位置为束腰。激光经过凸透镜时其偏角会变化，会产生新的束腰。毛玻璃离透镜的距离改变时，照在其上的光斑半径也随之改变。实验是通过用计算机测量散斑的变化来算出光路中毛玻璃的移动情况。 激光散斑光强分布的规律由相关函数来描述。 自相关函数为： G（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ(x1,y1) Ｉ(x2,y2) 〉 归一化后为： 其中： 互相关函数为： GC（x1,y1；x2,y2）=〈Ｉ(x1,y1) Ｉ’(x2,y2) 〉 归一化后为： 其中 实验器材：氦氖激光器，双偏振片，全反射镜，透镜 ，毛玻璃，CCD，计算机。 数据处理： 实验光路图如下：实验装置图 1.氦氖激光器 2.双偏振片 3.全反射镜 4.透镜 5.毛玻璃 6.CCD 7.计算机 1 2 3 4 5 6 7 35cm 30cm 15cm 55cm 数据记录如下： 表一 激光散斑实验测量数据 No Sx Sy Δx Δy 1 8.1527 8.6897 24 1 2 8.6956 8.7627 25 1 3 8.3057 8.9240 25 1 4 9.5244 8.2766 26 1 5 8.9652 8.0843 24 1 6 7.8919 7.9771 24 1 本实验中用到的一些已知量： 激光波长l = 0.0006328mm 常数p = 3.14159265 CCD像素大小=0.014mm 激光器内氦氖激光管的长度d=250mm 会聚透镜的焦距f’=50mm 激光出射口到透镜距离d1=650mm 透镜到毛玻璃距离=d2+P1=150mm 毛玻璃到CCD探测阵列面P2=550mm 毛玻璃垂直光路位移量dx 和dh， dx=3小格=0.03mm，dh=0 理论值计算： 一． 照在毛玻璃上激光光斑的平均半径为： 则由公式： 得激光管口处腰束半径为： 得 由公式： 得 则 p1=150-53.55=96.45mm 二．Dx和Dy的计算 Dx = dx (1 + p2 / r(P1))＝0.03*(1 + 550 / 96.47)＝0.2010mm Dy= dh (1 + p2 / r(P1))＝0mm 二． 数据及数据处理 P1 =10CM， P2 =56CM 1 2 3 4 5 6 Sx 8.1527 8.1527 8.1527 8.1527 8.1527 8.1527 Sy 8.6897 8.6897 8.6897 8.6897 8.6897 8.6897 (S2x+Sy2)/2 70.98870169 76.199185325 74.311214245 79.60815146 72.865358765 62.95810501 Sqrt((S2x+Sy2)/2) 8.425479 8.729214 8.620395 8.92234 8.536121 7.934614 S1＝（(Sx2＋Sy2)/2）0.5=（(8.15272+8.68972)/2）0.5=8.4255 (象素) S2= 8.7292 (象素) S3= 8.6204 (象素) S4=8.9223 (象素) S5=8.5361 (象素) S6= 7.9346 (象素) S＝0.014*(S1+S2+S3+S4+S5+S6)/6 =0.014*8.5280mm=0.1194mm2 则照在毛玻璃上激光光斑的平均半径为： Dx =0.014*(24+25+25+26+24+24)/6=0.3453mm 毛玻璃的平均实际位移量 误差分析： 试验中求得毛玻璃的平均实际位移量为0.052mm，而理论值为0.05mm；照在毛玻璃上的光斑半径理论值为0.0984mm，而实际测得为0.1194mm。 来源：1光路调节不佳，调等高时用的是白纸板。2测距离时也有较大误差，不过对实验影响不大。3全反射镜表面的指纹等造成的衍射影响了散斑的质量，散斑明暗分界不是太清楚。4毛玻璃的位移并不是精确的在左右方向上，由数据Δy等于1也可以看出，所以毛玻璃的位移量不是0.05mm也就不奇怪了。 思考题 1、 激光散斑测量的光路参数（P1,P2）选择是根据什麽？ 使散斑对比度较大。边缘较清晰。 2、 为什麽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）？ ，从公式可以看出，P2对结果影响不大。而分母对结果影响较大。要用ccd象元。 3、 根据自己的理解说明散斑光强的相关函数的物理意义。 互相关系数：当散射体发生一个变化后（如散射体发生一个微小的平移）观察面任意一点上的散斑光强分布。 自相关系数：观察面上任一点两点光强的统计平均值。