激光散斑效果的影響因素研究

張 鼎，王添祺，王治文，楊久奇，李天雨

遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 114051

0 引言

在生活中有這樣一種現(xiàn)象，當(dāng)用一束激光照射在黑暗的表面上時(shí)，在斑點(diǎn)內(nèi)可以看到在光斑中心的周圍會有顆粒狀的圖案出現(xiàn)，人眼觀察時(shí)會感覺這個圖案相對于表面在漂移，而這些顆粒狀圖案即激光散斑。這種現(xiàn)象主要與激光散斑的相關(guān)性和位移有關(guān)[1]。

1 激光散斑的形成

激光散斑概括而言其實(shí)是由無規(guī)則散射體被相干光照射產(chǎn)生的一種隨機(jī)過程。當(dāng)激光照射在粗糙表面時(shí)，這個表面上的每一點(diǎn)都在散射光[2]，因此空間各點(diǎn)都要接受來自物體上各個點(diǎn)散射的光，而來自這個表面上各個小面積元射來的基元光波的復(fù)振幅會相互疊加，從而形成一定的統(tǒng)計(jì)分布，這就是激光散斑的成像原理。

為了研究是否有其他相關(guān)參數(shù)影響試驗(yàn)現(xiàn)象，方便研究人員熟練地運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，文章主要采取控制變量的方法進(jìn)行操作，在保證其他條件不變的情況下，通過多次改變試驗(yàn)條件來證明漂移的斑點(diǎn)與相關(guān)條件的關(guān)系，如改變激光的強(qiáng)度、改變接觸表面的粗糙程度、改變激光束與接觸表面的距離等。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

試驗(yàn)所需的器材包括不同顏色的激光筆若干、黑色卡紙、凸透鏡、蠟燭、黑色布料等。激光雖然方向性好，但畢竟存在發(fā)散角，而且由于激光的亮度太高會遮蓋細(xì)節(jié)，因此要在光路中加一塊凸透鏡，從而更清楚地觀察半導(dǎo)體激光的光斑細(xì)節(jié)。另外，試驗(yàn)所選用的圖片是經(jīng)過多次試驗(yàn)后層層篩選的，并非只做了個別試驗(yàn)?？赡苡绊懠す馍叩囊蛩匕ń佑|面的溫度、接觸面的粗糙程度、光強(qiáng)大小等。

2.1 接觸面的溫度

選用同樣質(zhì)地和尺寸的黑色卡紙進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖1所示。其中，圖1（a）為一張卡紙被加熱過，圖1（b）為一張卡紙?zhí)幱诔貭顟B(tài)。利用控制變量法可以看出，在保證其他條件相同時(shí)，接觸面的溫度越高，散斑現(xiàn)象越明顯。

圖1 不同接觸面溫度效果對比圖

2.2 接觸面的粗糙程度

分別選用黑色卡紙與黑色粗布進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。利用控制變量法可看出，在保證其他條件相同時(shí)，接觸面越粗糙，散斑現(xiàn)象越明顯。

圖2 不同接觸面的粗糙程度效果對比圖

2.3 光強(qiáng)大小

選用不同數(shù)量的激光筆去照射同一張黑色卡紙進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。圖3（a）為被一支激光筆照射的結(jié)果，圖3（b）為被兩支激光筆照射的結(jié)果。利用控制變量法可看出，在保證其他條件相同時(shí)，光強(qiáng)越強(qiáng)，散斑現(xiàn)象越明顯。

圖3 不同光強(qiáng)大小效果對比圖

2.4 入射光波長

分別采用不同波長的激光去照射同一張黑色卡紙，結(jié)果如圖4所示。圖4（a）為紅光照射，紅光波長為620～750 nm；圖4（b）為綠光照射，綠光波長為495～570 nm。利用控制變量法可看出，在保證其他條件相同時(shí)，入射光波長越長，散斑現(xiàn)象越明顯。

圖4 不同光波長效果對比圖

2.5 光束與接觸面的距離

在照射同一張黑色卡紙時(shí)選擇不同距離進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。利用控制變量法可看出，在保證其他條件相同時(shí)，光束與接觸面的距離越遠(yuǎn)，散斑現(xiàn)象越明顯。

圖5 光束與接觸面的不同距離效果對比圖

2.6 有無環(huán)境光的影響

分別從有光和無光的環(huán)境進(jìn)行同樣的試驗(yàn)操作，結(jié)果如圖6所示。利用控制變量法可看出，在保證其他條件相同時(shí)，在有環(huán)境光時(shí)，散斑現(xiàn)象更加明顯。

圖6 有無環(huán)境光的影響效果對比圖

3 結(jié)果分析

經(jīng)過大量試驗(yàn)，用理論知識解釋試驗(yàn)現(xiàn)象。

（1）接觸面的溫度。根據(jù)分子動理論可知，溫度越高，分子無規(guī)則運(yùn)動越劇烈，對于激光光束也是一樣，接觸面的溫度越高，光束在接觸面上擴(kuò)散得越快，范圍也越廣。

（2）接觸面的粗糙程度。隨著入射面粗糙度的增加，形成的散斑點(diǎn)逐漸分散，單個散斑的尺大小會發(fā)生變化，對其自相關(guān)函數(shù)歸一化處理可知散斑的平均半徑會隨著光束與接觸面積逐漸減小，散斑光強(qiáng)的概率密度函數(shù)中心值也逐步減小，導(dǎo)致光強(qiáng)分布不均勻，因此散斑現(xiàn)象也更加明顯。

（3）光強(qiáng)和入射光波長。光強(qiáng)和入射光波長的作用原理其實(shí)是相同的，當(dāng)引入較強(qiáng)的參考光時(shí)，由于產(chǎn)生主干涉現(xiàn)象，干涉條紋間隔加倍，從而導(dǎo)致散斑直徑也加倍。

（4）光束與接觸面的距離。根據(jù)高斯光束的傳播理論推斷[3]，在近軸區(qū)激光高斯光束經(jīng)凸透鏡后仍為高斯光束；環(huán)境光是很容易被忽略的一個因素，人們普遍認(rèn)為是有了凸透鏡散斑現(xiàn)象才很明顯，原因是環(huán)境光可以降低光斑的亮度，使其細(xì)節(jié)更加明顯。

4 結(jié)束語

以往提到激光一詞，很多人都會將其與高科技產(chǎn)品聯(lián)系起來，而忽略了生活中常見的現(xiàn)象。從專業(yè)角度上看激光散斑現(xiàn)象的成因則更加復(fù)雜，文章采用生活中最常見的物品進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，研究激光散斑效果的影響因素，為相關(guān)人員提供了一定的參考。