为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划激光散斑测量,实验报告,pb实验报告陈杨PB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?=常数?=CCD像素大小=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d?和d?，d?=3小格=，d?=0光路参数：P1=?(P1)=P2=550mmd?=3小格=数据及处理：光路参数：P1+d2=15cmP2=d1=激光出射口到反射镜的距离+反射镜到透镜距离=+=f=5cmd=250mm=(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：d2?f?f?d1?W012d?d(1?1)2?()W?201?Wf?f?01?d2代入数据，可得：f?d1d2?f?15cm?P112d2(1?)?()ffP1?15cm?5cm?5cm?25cm?1?2W01?2由公式W02?2?d1?W01?1?ff?2?d?d1?d?1?可得W02?10-3cm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：2?W02a?dd1?d?22?25cm?25cm?1?5cm?5cm?22?1?2?2?1?(P)?P1?11?2?1?1/2221/2W(P)?W(1?P/a)0112?10?3cm?1?可以求得散斑的统计半径S：?10?7cm?S?P2/?W?10?3cm?(2)实验值的计算：组数Si?i?16Sx/像素Sy/像素r0S=(Sx+Sy)/2?像素=m则S理论值和实验值得相对误差为:S实验-S理论?100%=?100%?%理论照在毛玻璃上激光光斑的平均半径:w?P2=?m?m?10?2cmS则W的理论值和实验值得相对误差为:?w实验?w理论w理论?100%=?100%?%(3)求出毛玻璃的平均实际位移量6?d?i?i?16?16像素?224?m?0毛玻璃的平均实际位移量d?224?m?x?m1?P2(P)1?/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为准。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?1答：散斑的大小用肉眼无法测量，其半径S数量级约为10mm，低于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测激光散斑测量一、实验目的：1）学习激光散斑的概念，了解高斯光束的传播特点及其束腰位置和大小的推导；2）观察并测量激光散斑的大小，了解激光散斑的统计特性，学习有关散斑光强分布的数据处理方法。二、实验原理：激光散斑是由无规散射体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，另一种是由透镜成像形成的主观散斑。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，照在其上的光斑大小也随之改变。由于这些散斑的大小是不一致的，因此这里(来自:写论文网:激光散斑测量,实验报告,pb)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。实验中利用计算机计算散斑场各点光强的自相关函数拟合求出散斑的统计半径，然后测量散斑的位置变化来算出光路中毛玻璃的移动情况。自相关函数为：G=(x1,y1)(x2,y2)归一化后为：?x2?y2g(?x,?y)?1?exp?()2S其中：S?P2/?W互相关函数为：GC=(x1,y1)(x2,y2)归一化后为：?y?dy1?P2/?(P1)1)(?x,?y)?1?exp?(?x?dx1?P2/?(Pgexp?C22SS其中?x?dx(1?P2/?(P1)实验前理论值计算：本实验中用到的一些已知参考量：激光波长?=常数?=CCD像素大小=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=200mm毛玻璃到CCD探测阵列面P2=600mm毛玻璃垂直光路位移量d?和d?，d?=3小格=，d?=0由公式得激光管口处腰束半径为：w01?(d?)12w01?10?9?10?4(m)?(mm)d2?f?由公式f?d1?W012d(1?1)2?()f?f得：2d2?50?50?650?(mm)6502?(1?)?()5050?10?4W0122W02?由公式?W2d(1?1)2?(01)f?f得：W02?(mm)6502?(1?)?()?10?4?502p1=a?W0/?/?10?4?(mm)W(p1)?W0(1?p12/a2)1/2?(1?/)1/2?(mm)?(p1)?p1(1?a2/p12)?(1?/)?(mm)S?P2/?W?10?4?600/(?)/?/?(像素)?x和?y的计算?x=d?(1+p2/?(P1)(1+600/)?y=d?(1+p2/?(P1)0mm三、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。四、数据处理：实验原始数据已提交实验室。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7.计算机实验中测得激光散斑半径最大时，透镜到毛玻璃的距离，即d2=。如上图：d2+P1=P2=P1=d?=3小格=d1=340+300=640mmS1=(SxSy)/2=(+)/2=(像素)S2=(SxSy)/2=(+)/2=(像素)S3=(SxSy)/2=(+)/2=(像素)S4=(SxSy)/2=(+)/2=(像素)S5=(SxSy)/2=(+)/2=(像素)S6=(SxSy)/2=(+)/2=(像素)下面先计算理论值：激光管口处束腰半径和凸透镜焦距默认为参考值。d2?f?由公式f?d1?W012d(1?1)2?()f?f得：2d2?50?50?640?(mm)6502?(1?)?()?45050?10W02?由公式W0122?W2d(1?1)2?(01)f?f得：W02?(mm)26402?(1?)?()2?4?10?502p1=a?W0/?/?10?4?(mm)W(p1)?W0(1?p12/a2)1/2?(1?/)1/2?(mm)?(p1)?p1(1?a2/p12)?(1?/)?(mm)S?P2/?W?10?4?530/(?)/?(mm)/?(像素)?x=d?(1+p2/?(P1)(1+530/)?y=d?(1+p2/?(P1)0mm而由实验所得的值计算得：S=(S1+S2+S3+S4+S5+S6)/6=(+)/6=照在毛玻璃上激光光斑的平均半径为：?P2530?10?4w?(mm)?S?x=(12+14+14+15+15)/5=毛玻璃的平均实际位移量为：d?x1?P2?(P1)?(mm)1?误差分析：1）首先由计算所得的束腰位置d2=与实测的d2=不完全一致，因为这个结果纯粹是目测的，很可能有误差，另外光学器械长期使用沾上了指纹或其他杂质导致参数可能发生了变化，也可能是光路调节不佳。2）试验中求得毛玻璃的平均实际位移量为，因为人手很难精确的转动三个小格，以保证移动距离正好是毫米，总要有所偏差，并且应该是该误差的主要来源。3）照在毛玻璃上的光斑半径理论值为，而实际测得为。实验误差较大。最可能的原因是光路调节不严格，其次光学器械的污染也是重要的原因，另外所测得的S都是计算机通过人工估计的半径而计算的，有一定的主观因素在内，当人工估计参数改变时，所得S值变化很大，这样很难