激光散斑测量实验报告
大学物理实验---激光散斑
实 验 报 告
3、 做完实验后，思考本实验的用途，觉得它可以用于以下几个方 面： （1）可以用本实验原理测量物体的微小位移量 （2）可以用其他透明物体代替毛玻璃，来测量其粗糙度
思考题：
1. 根据什么选择激光散斑测量的光路参数（P1 和 P2）？
答：首先根据透镜的焦距，其次须考虑散斑大小和 CCD 象元大小 的关系。只有选择适当距离的 P1、P2 才能使 CCD 上可以拍摄到较 多的散斑，而且每个散斑又占据足够多的像元数，并且拍摄到的图 像足够清晰有较好的对比度，这样才能得到对散斑光强分布的良好 结果。
W 02 =
2 ������������02 a= = 1.228566������������ ������
d πW (1 − 1' )2 + ( 01' )2 f λf
=
0.2244032 = 0.015731mm 203.4896818
P 1 =透镜到毛玻璃的距离－d 2 =178-53.282722=124.727178mm ������2 ρ(������1 ) = ������1 �1 + 2 � = 124.739279������������ ������ 1
产生误差的原因经过分析有以下几个方面： （1）
实验心得：
1、 为了减小估算误差，对光斑半径进行估算并输入计算机进行自 相关计算时，应该多取几组，比较这几组的相关度大小，最终 取相关度最大的那一组作为实验数据； 2、 在实验过程中要保证光器具的干净， 不能用手碰光器具的镜面， 在实验结束时应该及时将塑料罩盖回去；
S = λP2 / πW
(3)
因此测量出 S 的大小就可以求出 W。 (2) 两个散斑场光强分布的互相关函数： 假设观察面任意一点Q 1 上的散斑光强分布为Ｉ(x 1 ,y 1 )，当散射体发 生一个变化后（如散射体发生一个微小的平移 d 0 = d ξ 2 + dη 2 ）观察面任意 一点Q 2 上的散斑光强分布为 Ｉ’ (x 2 ,y 2 )我们定义光强分布的互相关函数为： G C （x 1 ,y 1 ；x 2 ,y 2 ）=〈Ｉ(x 1 ,y 1 ) Ｉ’(x 2 ,y 2 ) 〉 两个散斑场的互相关函数为：
激光散斑的测量
W ( Z ) W0 (1 Z 2 / a 2 )1/2 0.01726 1
S P2 / W
632.8 106 555.0 0.07545mm 1.4816
2. x 和y 的计算
P2 555 x d 1 0.1611mm 1 P 0.03 126.96 1 P2 y d 1 P 0 1
答：由于激光光强起伏周期远大于 CCD 采样的周期，激光器光强时整体下降或 者提升的，最终图像上整体光强大小可能会有变化 6、在本实验中若有一均匀的背景光迭加在散斑信号上，对 S 值的测量有影响 吗？试分析原因。 答：观察面上的光强整体上升了，统计平均值显然会上升，但是不会影响统计分 布。即对拟合没有影响，因此对 S 无影响。
W012
f ' d1
2 01 2 '
50mm
(50 650) 53.55mm 650 2 0.22442 2 (1 ) ( ) 50 632.8nm 50mm
W02 (1
d1 2 W012 2 ) ( ) f' f'
0.22442 0.01726mm 650 2 0.22442 2 (1 ) ( ) 50 632.8nm 50
五．思考题
1、激光散斑测量的光路参数（P1,P2）选择是根据什麽？ 答： 为了得到较好的图像， 一方面需要考虑图像中散斑个数要多已得到的统计数 据比较可信， 另一方面要使散斑图像尽可能地大以获得精确测量。所以实验中需 要调节（P1,P2）兼顾这两个方面，以获得最佳图像 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）？ 答：CCD 象元由计算机处理，精确度高。有公式 d x
激光散斑测量
激光散斑测量实验报告实验题目：激光散斑测量实验目的：了解激光散斑的原理及应用，掌握散斑的测量方法以及相关的一些函数关系，性质。
实验原理：激光自散射体的表面漫反射或通过一个透明散射体（例如毛玻璃）时，在散射表面或附近的光场中可以观察到一种无规分布的亮暗斑点，称为激光散斑（laser Speckles ）或斑纹。
当激光照射在粗糙表面上时，表面上的每一点都要散射光。
因此在空间各点都要接受到来自物体上各个点散射的光，这些光虽然是相干的，但它们的振幅和位相都不相同，而且是无规分布的。
来自粗糙表面上各个小面积元射来的基元光波的复振幅互相迭加，形成一定的统计分布。
由于毛玻璃足够粗糙，所以激光散斑的亮暗对比强烈。
当单色激光穿过具有粗糙表面的玻璃板，在某一距离处的观察平面上可以看到大大小小的亮斑分布在几乎全暗的背景上，当沿光路方向移动观察面时这些亮斑会发生大小的变化，如果设法改变激光照在玻璃面上的面积，散斑的大小也会发生变化。
由于这些散斑的大小是不一致的，因此这里所谓的大小是指其统计平均值。
它的变化规律可以用相关函数来描述。
可以知道S 与激光高斯光斑半径W （在毛玻璃上的光斑）的关系式为2/S P W l p =。
S 的意义即代表散斑的平均半径。
这是一个以1为底的高斯分布函数。
以下为两个散斑场的互相关函数：实验器材：1.氦氖激光器 2.双偏振片 3.全反射镜 4.透镜 5.毛玻璃 D 7.计算机已知数据： 光路参数：d1=650mm d2=59mm r 1()P =92mm P2=537mm P1=92mm激光波长 = 0.0006328mm =632.8nm21212222(1/())(1/())(,)1exp{[]}exp{[]}C y d P P x d P P g x y SSh x r r D ++D ++D D =+--常数π = 3.14159265CCD 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毛玻璃垂直光路位移量d ξ 和d η， d ξ=5小格=0.05mm ，d η=0理论值:(a) 照在毛玻璃上激光光斑的平均半径01W 0.224403mm =''12222011''d (1)()f d f W d f f p l -=--+02W =由于20/a W p l =221/20()(1/)W Z W Z a =+ 这里Z=P 1,W 0=W 02 所以W(P 1)= 0.990179mm2/S P W l p == 0.109239mmb) 毛玻璃的平均实际位移量0.05d mm x =∆x = d ξ (1 + p2 / ρ(P 1))=0.342mm0d h =∆y= d η (1 + p2 / ρ(P 1))=0实验数据及数据处理实验值：S=112121in s=å=7.30477像素= 0.102267 mm2P W Sl p == 1.05768 mm 误差分析：W 误差为1.05768-0.9901796.8%0.990179=S 误差为0.102267-0.1092396.4%0.109239= b) 毛玻璃的平均实际位移量实验值：x D =1661in x =åD =25.83333像素= 0.362mmy D =1661in y =D å=0误差分析：∆x 误差为0.3620.3425.8%0.342-=∆y 误差为 0。
激光散斑实验报告
激光散斑实验报告激光散斑实验报告引言：激光散斑实验是一种常见的物理实验，通过激光光束通过光学系统后在屏幕上出现的散斑图案，可以帮助我们了解光的干涉和衍射现象。
本实验旨在通过观察和分析散斑图案，探索光的波动性质以及光学现象。
一、实验目的本实验的目的是通过观察激光散斑图案，了解光的干涉和衍射现象，以及利用散斑图案进行光学测量。
二、实验材料和仪器1. 激光器：用于产生高强度、单色、相干的激光光束。
2. 光学系统：包括凸透镜、平行光管、狭缝等，用于调节和控制激光光束的传播。
3. 屏幕：用于观察和记录散斑图案。
三、实验原理1. 光的干涉现象：当两束相干光叠加时，会产生干涉现象。
干涉可以分为构造干涉和破坏干涉两种形式。
激光散斑实验中的干涉现象主要是构造干涉，即光波的相位差导致光强的增强或减弱。
2. 光的衍射现象：当光通过狭缝或物体边缘时，会产生衍射现象。
衍射导致光波的传播方向改变，形成散斑图案。
四、实验步骤1. 将激光器放置在适当位置，调整光路，使激光光束通过光学系统。
2. 调节凸透镜和平行光管，使激光光束呈平行光束。
3. 在光路上设置狭缝，控制光的传播范围。
4. 将屏幕放置在适当位置，观察和记录散斑图案。
五、实验结果与分析通过实验观察和记录，可以得到不同形状和大小的散斑图案。
散斑图案的特点是中央亮斑周围环绕着一系列暗斑和亮斑。
这种图案的形成是由于激光光束经过光学系统后，光波的相位差和衍射现象导致的。
散斑图案的大小和形状与光学系统的参数有关。
如果调节凸透镜的焦距或改变狭缝的大小，可以观察到散斑图案的变化。
通过对散斑图案的分析，可以计算出光的波长、光学系统的参数等。
六、实验应用1. 光学测量：利用散斑图案进行光学测量是激光散斑实验的重要应用之一。
通过测量散斑的尺寸和形状，可以计算出被测物体的尺寸、形状等信息。
2. 光学显微镜：激光散斑实验的原理也可以应用于光学显微镜中。
通过在显微镜中加入特定的光学系统，可以观察到更加清晰的显微图像。
散斑生成的原理实验报告
散斑生成的原理实验报告
一、实验目的：
研究散斑生成的原理。
二、实验原理：
散斑是由光线经过不同介质的扰动引起的光场干涉现象，其产生的原因是由于光线在传播过程中经历的相位差引起的。
当平行入射的光线通过透明介质时，由于介质中存在微小的不均匀性，如密度、厚度或折射率的变化，这些微小的不均匀性能够引起光线的相位差，从而使光波发生干涉。
三、实验仪器：
1. 激光器：用于产生单色、高亮度的激光光源。
2. 透明介质：如玻璃板、水晶板等。
3. 平行光束成形器：用于将激光束变为平行光束。
4. 平行光束分束器：用于将平行光束分成两束，以形成干涉。
5. 探测器：用于检测干涉图案。
四、实验步骤：
1. 将激光器打开，使其发出激光光束。
2. 通过平行光束成形器将激光束变为平行光束。
3. 将平行光束经过平行光束分束器，使其分成两束。
4. 一束平行光束直接射向探测器作为参考光，另一束平行光束经过透明介质后
射向探测器。
5. 观察探测器上形成的干涉图案，其中的散斑即为干涉的结果。
五、实验结果与分析：
观察实验结果可发现，在探测器上形成了一系列的亮暗交替的环形和条纹。
这些散斑的形成是由于光波的干涉引起的。
由于透明介质中存在微小的不均匀性，这些不均匀性能够引起光线的相位差，从而导致干涉。
六、实验结论：
散斑是由光线经过不同介质引起的干涉现象。
通过实验观察到的干涉图案，验证了散斑的产生原理。
散斑的研究在光学、物理等领域具有重要的意义，对于了解光的干涉现象以及介质的光学性质具有重要的参考价值。
激光实验报告
激光实验报告he-ne激光器模式分析一．实验目的与要求目的：使学生了解激光器模式的形成及特点，加深对其物理概念的理解；通过测试分析，掌握模式分析的基本方法。
对本实验使用的重要分光仪器——共焦球面扫描干涉仪，了解其原理，性能，学会正确使用。
要求：用共焦球面扫描干涉仪测量he-ne激光器的相邻纵横模间隔，判别高阶横模的阶次；观察激光器的频率漂移记跳模现象，了解其影响因素；观察激光器输出的横向光场分布花样，体会谐振腔的调整对它的影响。
二．实验原理1.激光模式的一般分析由光学谐振腔理论可以知道，稳定腔的输出频率特性为：vmnq?l1/21lc[q?(m?2n?1)]cos-1[(1—)(1—)] r2?r12?l (17)其中：l—谐振腔长度； r1、r2—两球面反射镜的曲率半径；q—纵横序数； m、n—横模序数；η—腔内介质的折射率。
横模不同（m、n不同），对应不同的横向光场分布（垂直于光轴方向），即有不同的光斑花样。
但对于复杂的横模，目测则很困难。
精确的方法是借助于仪器测量，本实验就是利用共焦扫描干涉仪来分析激光器输出的横模结构。
由（17）式看出，对于同一纵模序数，不同横模之间的频差为：mn:mn?ll1/2 c1(?mn)cos-1[（1－）(1－)] （18） r1r22?l?其中：δm=m－m′；δn=n－n′。
对于相同的横模，不同纵模间的频差为q:q?c?q 2?l 其中：δq=q－q′，相邻两纵模的频差为q?c 2?l （19）由（18）、（19）式看出，稳定球面腔有如图2—1的频谱。
（18）式除以（19）式得ll?mn:mn1?(?m??n)cos-1[(1－)(1－)]1/2 r1r2??q?（20）设：mn:mnq ； s=1?cos-1[(1－ll)(1?)]1/2 r1r2 δ表示不同的两横模（比如υ00与υ比，于是（20）式可简写作： 10）之间的频差与相邻两纵模之间的频差之(?m??n)?? s （21）只要我们能测出δ，并通过产品说明书了解到l、r1、r2（这些数据生产厂家常给出），那么就可以由（21）式求出（δm+δn）。
激光散斑测量物体表面粗糙度的研究
激光散斑测量物体表面粗糙度的研究
激光散斑测量物体表面粗糙度是一种常见的非接触式测量方法，它利用激光经过物体表面反射后形成的散斑图案来反映物体表面的粗糙度。
通过分析散斑的形态和强度分布，可以获得物体表面的粗糙度信息。
激光散斑测量一般包括以下几个步骤：
1. 激光照射：将激光束照射到待测物体表面。
激光的波长和功率通常需要根据待测物体的特性来选择。
2. 散斑图案获取：激光束经过物体表面反射后，形成散斑图案。
通过合适的光学设备（如衍射光栅、透镜等）将散斑图案投射到像面上，然后采用相机等图像捕获设备来获取散斑图像。
3. 图像处理：对获取到的散斑图像进行处理，例如去除背景噪声、提取散斑图案等。
常用的处理方法包括傅里叶变换、滤波等。
4. 特征提取：通过分析散斑图案的形态和强度分布，提取与物体表面粗糙度相关的特征参数，例如散斑尺度、形状等。
5. 数据分析：根据特征参数，利用合适的粗糙度评估方法（如均方根粗糙度、自相关函数等），对物体表面的粗糙度进行评估和分析。
激光散斑测量方法具有非接触、快速、高精度等特点，广泛应
用于粗糙度测量、表面质量控制等领域。
在工业制造、材料研究、纳米技术等领域都有重要的应用价值。
激光散斑测量(中国科大实验讲义)
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19
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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21
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22
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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1
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。
xdx(1P 2/(P 1))
gc
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x
17
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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6
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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7
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)
S P W
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实验报告
陈杨PB05210097 物理二班
实验题目:激光散斑测量
实验目的:
了解单光束散斑技术的基本概念，并应用此技术测量激光散斑的大小和毛玻璃的面内位移。
实验内容：
本实验中用到的一些已知量：(与本次实验的数据略有不同)
激光波长λ = 0.0006328mm
常数π = 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dξ和dη，dξ=3小格=0.03mm，dη=0 光路参数：P1=96.45mm ρ(P1)=96.47mm P2= 550mm dξ=3小格=0.03mm（理论值）
数据及处理：
光路参数：
P1+d2=15cm
P2=52.5cm
d1=激光出射口到反射镜的距离+反射镜到透镜距离=33.6+28.5=62.1cm f ’=5cm d=250mm λ=632.8nm
(1)理论值S 的计算：
经过透镜后其高斯光束会发生变换，在透镜后方形成新的高斯光束 由实验讲义给的公式：
2'2
012'11
''
2)()1(d f W f d d f f λπ+---
= πλd W 01= 201W d πλ=
代入数据，可得：
''
1
21
221''12
2
22
01
022
2
2
2
2101
102
d 15(1)()
5
62.11559.6332439.63362.12515511f d f cm P d d f f
cm cm
P cm cm cm cm
cm cm cm cm d
W W d d W d f f f f W λπ
π
λ⎛⎫⎛⎫
⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭
⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
⎝⎭⎝⎭
-=-=--+-=-+
=≈-+=
=
-+-+=
可得
由公式-31.80010cm ≈⨯
此新高斯光束射到毛玻璃上的光斑大小W 可以由计算氦氖激光器的
高斯光束的传播特性得到：
221/2
302022
2
2
2
122112111()(1/)
250.16162.12511550.161()19.63319.6349.6339.6331.8001010.1W W a W d cm
a cm
cm cm d d cm cm f f a cm P P cm cm cm P cm P P cm πλρ-⎛
⎫⎛⎫⎛⎫
⎛⎫
⎪ ⎪ ⎪
⎪ ⎪
⎪⎝⎭⎝⎭
⎝⎭
⎝
⎭⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=+==
=
≈-+-+=+=⨯+≈=⨯⨯+1/2
20.10861cm
cm ⎛⎫
⎛⎫ ⎪
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭
≈
可以求得散斑的统计半径S ：
372632.81052.5cm /9.792100.108cm cm S P W cm
λππ--⨯⨯==≈⨯⨯
(2)实验值的计算： 组数 Sx/像素 Sy/像素 r S=(S x +S y )/2
1 7.74 8.57 11 8.16
2 7.67 9.00 1
3 8.38 3 7.53 8.71 12 8.12
4 7.10 8.32 10 7.71
5 7.50 8.4
6 10 7.98 6
7.46
8.37
10
7.92
6
18.056
i i S S ==
=∑像素=112.7μm
则S 理论值和实验值得相对误差为:
-S 11.27-9.792100%=100%15.1%S 9.792
S η=⨯⨯=理论实验理论
照在毛玻璃上激光光斑的平均半径:
22
52.5=632.8nm cm 3.14112.7938.329.3810cm P w m m S
λμμπ-=
⨯÷÷==⨯ 则W 的理论值和实验值得相对误差为:
9.38-10.8
100%=
100%13.1%10.8
w w w η-=
⨯⨯=理论
实验理论
(3)求出毛玻璃的平均实际位移量 6
1162246
i i d d m ξξμ==
==∑像素
0d η=
毛玻璃的平均实际位移量
21
22434.71()152.5/9.634d m
x m P P cm cm ξμμρ∆===++
本实验中，调整光路是最关键的一步。
尤其注意将各个光学元件的中心调到等高的位置（21cm ）并使激光束照射在光学元件的中心。
实验体会：
1、本实验属光学实验，所以能否调整好光路是本实验成功与否的关键.调整光路时应保证各光学元件中心等高，激光束穿过各元件的中心。
调好光路后要将磁性表座锁好，以确保其不再发生移动. 调整光路时要一个一个光学元件逐次调整固定。
为了保证等高，应该以最不易改变高度的元件为基准来调节。
本实验中，应以毛玻璃的21cm 为
2、实验进行时还应注意保护CCD，不要将激光束直接照射在CCD 上，调光路时要盖好盖子
3、激光具有很强的能量，实验时应注意安全，避免眼睛直视激光。
思考题
(1)根据什么来选择激光散斑测量的光路参数？
答：光路图如下：
激光器的长度，激光波长,透镜半径及焦距，毛玻璃的面积和CCD 接收屏的大小是固定的，根据激光器的长度和透镜的半径可以大致确定d1；d2和透镜的焦距近似相等；P1，P2由毛玻璃上的像点面积和表征激光散斑大小的参数S在CCD接收面上的像元数目及激光波长有关。
(2)为什么在本实验中散斑的大小用CCD像元，而毛玻璃与CCD表面的距离可以用卷尺（最小刻度为1mm）?
答：散斑的大小用肉眼无法测量，其半径S数量级约为1
，低于
10mm
卷尺的最小刻度及最大允差，需要通过其他办法将其“放大”到与原散斑大小成一定比例才能间接测出，本实验通过CCD像元来测量；而毛玻璃与CCD之间的距离为几十厘米，用卷尺完全可以较准确地
(3)毛玻璃上高斯光斑半径W=2.5mm ，想使表征激光散斑大小的参数S 在CCD 接收面上为50个像元，毛玻璃距CCD 接收面的距离P2为多少？ 答：由
W P S πλ2=
，得m
nm mm
m SW P 68.88.6325.2145014.32=⨯⨯⨯==μλπ。