激光散斑测量实验报告

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）激光波长九=0.0006328mm常数兀=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 激光出射口到透镜距离 d=650mm1透镜到毛玻璃距离=d +P =150mm21毛玻璃到CCD探测阵列面P =550mm2毛玻璃垂直光路位移量dg和dq，dg=3小格=0.03mm，dq=0光路参数：P =96.45mm p （P ）=96.47mm P = 550mm d =3 小格=0.03mm112g（理论值）数据及处理：光路参数：P1+d2=15cmP2=52.5cmd1= 激 光 出 射 口 到 反 射 镜 的 距 离 + 反 射 镜 到 透 镜 距 离=33.6+28.5=62.1cmf=5cm d=250mm九=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：（1 - d 1）2 + （叫2f 甘W01兀W 2二九d01代入数据，可得：Lzl二 15cm - Pd、1（1-纟）2 + （纟）2P 二 15cm - 5cm +1 /1- _5cm5 cm - 62.1 cm二 9.633243cm u 9.633cm62.1 cm （25 cm 5 cm 丿由公式W2W2012 /1 -彳:2+r d 2fI f JIf丿r d)2(兀w2)2卩-寸I +曲可得W02+d f（.5 cm 丿d 丫 f J632.8nm x 10-7 x 25cm /兀62.5 2 +25 cm 丫5 cm丿u1.800x10-3cm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：兀W 2a =0225cm沁 0.161cm(d (162.1cm 丫5cm丰(25cm 丫5cm1 斗(0.161cm 丫+ v 9.633cm 丿沁 9.634cmP = Pi 1 + P2 = 9.633cm Xv 1丿W (P) = W (1 + P 2 / a 2 )1/ 2 101=1.800 x 10-3 cm J1 + ( 9.633cm V 】1/ 20.161cm 丿丿沁 0.108cm可以求得散斑的统计半径 S：u 9.792 x 10-3cm632.8 x 10-7 cm x 52.5cm兀 x 0.108cm(2)实验值的计算：组数Sx/像素Sy/像素rS=(S +S)/2xy17.748.57118.1627.679.00138.3837.538.71128.1247.108.32107.7157.508.46107.9867.468.37107.92兰S.S = d! = 8.05 像素=112.7妙6S -S实验理论x 100%=S理论9.792则 S 理论值和实验值得相对误差为x100% =15.1%照在毛玻璃上激光光斑的平均半径w = =632.8nm x 52 5cm 三 3.14 三 112.7 卩 m = 938.32卩 m = 9.38 xl0_2 cm 兀S则 W 的理论值和实验值得相对误差为w- w实验理论x 100%=w10.8理论x100% = 13.1%(3)求出毛玻璃的平均实际位移量组数1-22-33-44-55-6均值Ax /像素201516161716Ay /像素000000000000f dd. = _i=i= 16像素=224卩 m 6d = 0毛玻璃的平均实际位移量d1 + P P (P)211 + 52瓷麗34 cm =沖卩“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 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dl; 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。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 lmm)?答：散斑的大小用肉眼无法测量，其半径S数量级约为10 1 mm，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出。毛玻璃上高斯光斑半径W=25mm,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？二呂二攀二 34x5x 14回x 25mm 二 8&m632.8nm答：由 兀W，得2九