激光散斑测量(中国科大实验讲义)

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He-Ne Laser
透镜 毛玻璃
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客
观
散 斑
CCD
场
PC
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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。
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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（3.39m、 1.15m）
xdx(1P 2/(P 1))
gc
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x
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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。
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由激光器出射的高斯光束
d
2W0
d=250mm ，=0.0006328mm ，w0=0.2244mm
d 1 w0 ( ) 2
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高斯光束的复振幅表达式：
I I0
W0 0.135I0
u ( x , y , z ) A exp[ ik ( x y ) ] q(z)
=499.99mm
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z
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高斯光束经透镜后的变换
2W01
2W02
d1
d2
a
(
d )
( w
)
f
f
d
f
f
d a
w
w a 可编辑ppt
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电荷耦合器—CCD
• CCD是Charge-coupled devices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 mA/W
过程有关，本实验中大约为
• 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。
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
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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。
g( x, y)ex(p x2 [ y2)]
S2
SP2/W +
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互相关函数
理论公式
g C ( x , y ) 1 e x ( x d p x [ 1 S 2 P 2 { /( P 1 )} e ] x y d y p [ 1 S 2 P 2 / { ( P 1 )}
S P W
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)
x
dx(
P )
(P)
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.
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实验中采集的散斑图
毛玻璃横向移动
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• 理论公式 • 实验公式
自相关函数
g(x,y)1ex(px[2S2y2)]
i
q(z) R (z) w (z)
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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
(z)
z (1
z02 z2
)
z0
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w 02
w 2(z)
w
2 0
(1
z2 z02 )
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高斯光束特性图解
R(z)z处波面曲率半径
W0=0.2244mm
准直距离
Z0=2W02 /
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
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一维自相关函数图
实验曲线
拟合曲线
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20
一维互相关函数图
实验曲线
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• 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。
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2
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。
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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：g (x) 1 exp( (x / S ) 2 )
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
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）。
400
光谱响应 度
1050 波长/nm
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实验中的光路参数
2w
2w01 He-Ne
2w02
CCD
d1
d2 p1
p2
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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)