A
14
实验仪器
He-Ne激光器（632.8 nm）
实验平台及其光学附件（偏振器、全反射镜、凸透 镜、毛玻璃）
CCD、计算机
直尺
A
15
激光散斑的实验原理图
2W0 O0
X1 2W1 毛玻璃
O1
X2 O2 CCD
P1
散斑统计半径理论公式：
P2
S P2 W ( P1 )
散斑平移量△X与毛玻璃的 平移量d0之间的关系 式：
实验中采集的散斑图
毛玻璃横向移动
A
19
自相关函数 ---单个散斑图的统计特性
振幅矢量：
Uk
1 N
k
(x,
y,
z)expik
(x,
y,
z)
光场的复振幅：
U Uk
N
N
U(x, y,z) Uk
k1
k1
1 N
k
(x,
y,
z)expik
(x,
y,
z)
光强值：
A
20
I(x,y)U (x,y)U *(x,y)
及调试操作方便等优点
1. 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
2. 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
3. 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
4. 在医学研究中的应用：非侵入的测量皮肤下的微循环的速度。
三级物理实验
激光散斑 Laser speckles
A
1
内容简介
引言 激光散斑现象与其特点 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
A
2
激光散斑概念
激光散斑（Laser speckles) 概念：当一束光照射到具有漫反射特性的粗糙
表面上时，在反射光的空间中用观察屏 去接受光总可以看到一些斑点，这就是 激光散斑现象
光工作物质。诸如氖、氩、CO2、红宝石及钕玻璃等。必须具备有 亚稳态能级性质的物质。
2．激励装置 能使激活介质发生粒子数反转分布的能源，既称为激
励装置。如各种激光器所具备的电源。
3．光学谐振腔能使光子在其中重复振荡并多次被放大的一种由硬质
玻璃制成的谐振腔。产生激光的过程可归纳为：激励→激活介质
（即工作物质）粒子数反转；被激励后的工作物质中偶然发出的自
I I0
W0 0.135I0
u ( x , y , z ) A exp[ ik ( x y ) ] q(z)
i
q(z) R (z) w (z)
A
9
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
z
2 0
)
z2
z0
w
2 0
w 2(z)
w
2 0
(1
z2
z
2 0
A
3
激光散斑的特性
经透镜成像形成的散斑为主观散斑 在自由空间传播形成的散斑是客观散斑
散斑的大小、位移及运动是有规律的，它可以反映激光照明 区域内物体及传播介质的物理性质和动态变化。
随机过程，统计方法研究散斑的强度分布、对比度和大小分 布等
A
4
激光散斑应用
激光散斑测量技术具有光路简单、成本低以
A
)2
(
w 012
)2
12
f
f
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 mA/W 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
S2
)
复相干系数
（x2, y2) （x1, y1)
A
21
实验g公(Δ 式x：,Δy)=α+βexp-(Δx2S+2Δy2)
散斑的统计半径：
自相关函数的高斯分布图 A
S= λP2 π W 22
互相关函数 ---两个散斑图的相互关系
I (x1,y1)
I' (x2,y2)
毛玻璃横向移动 微小平移量d0
发辐射→其它粒子的受激辐射→光子放大→光子振荡及光子放大→
激光产生。
A
6
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）
A
7
激光器出射的高斯光束
d
2W0
d=250mm ，=0.0006328mm ，w0=0.2244mm
w0
(d
1
)2
A
8
高斯光束的复振幅表达式
X
A
d0
1
P2
(P1)
16
实验中的光路参数
2w
2w01 He-Ne
2w02
CCD
d2
d1 P1
P2
A
17
激光散斑的实验装置图
He-Ne激光器 632.8 nm
偏振器 凸透镜 L
毛玻璃
CCD
全反射镜
d1 P1
P2
d2
CCD像元尺寸为 256x256 像A 元（1像元=14 微米）
计算机
18
光强分布的互相关函数定义为：
G c x 1 ,y 1 ;x 2 ,y 2 = < I ( x 1 ,y 1 ) I ( x 2 ,y 2 ) >
A
23
G c(Δ x ,Δ y )=< I> 2 1 + ex p - Δ x + d [1 S + 2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2ρ (P 1)] 2 •ex p - Δ y + d [1 S + 2P 2ρ (P 1)] 2
测量心脏的心动图。利用主观散斑的运动规律对人眼进行主观
验光
5. 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
的影响获得高分辨率的图像
A
5
6. 利用散斑进行光学图像处理：例如图像相减等
激光的产生
激光的产生，必须有激光器，而激光器必须具备三个主要的组成部分。
1．激活物质 即被激励后能发生粒子数反转的工作物质，也称做激
)
A
10
高斯光束特性图解
w0=0.2244mm
z
准直距离
z0=2w02 /
=499.99 mm
R(z)为在z处波面曲率半径
A
11
高斯光束经透镜后的变换
2W0
1
2W0
2
d1
d2
a (1 d 1 ) 2 ( w 012 ) 2
f
f
d2
f
f
d1 a
w 02 2
w 012 a
(1
w 012
d1
光）。
400
光谱响应度
1050 波长/nm
A
13
实验目的 单光束散斑技术
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）
S= λP2
πW
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 并拟合求出）
Δx=
dx
(1+
P2 ρ(P1)
)
由以上两式求出照在毛玻璃上光斑的大小以及透镜的焦点的大 小，毛玻璃的实际位移量等。
光强分布的自相关函数定义：
G (x 1 ,y 1 ;x 2 ,y 2 )= < I(x 1 ,y 1 )I(x 2 ,y 2 )>
单个散斑的自相关函数为：
其中：
G(Δx,Δy)=<I>21+exp(-Δx2S +2Δy2)
x x1 x2 y y1 y2
理论公式：
Δx2+Δy2
g(Δx,Δy)=1+exp-(