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，遼寧 鞍山 114051

0 引言

在生活中有這樣一種現象，當用一束激光照射在黑暗的表面上時，在斑點內可以看到在光斑中心的周圍會有顆粒狀的圖案出現，人眼觀察時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。這種現象主要與激光散斑的相關性和位移有關[1]。

1 激光散斑的形成

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

為了研究是否有其他相關參數影響試驗現象，方便研究人員熟練地運用這項技術，文章主要采取控制變量的方法進行操作，在保證其他條件不變的情況下，通過多次改變試驗條件來證明漂移的斑點與相關條件的關系，如改變激光的強度、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 試驗現象及結果分析

試驗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，但畢竟存在發散角，而且由于激光的亮度太高會遮蓋細節，因此要在光路中加一塊凸透鏡，從而更清楚地觀察半導體激光的光斑細節。另外，試驗所選用的圖片是經過多次試驗后層層篩選的，并非只做了個別試驗。可能影響激光散斑的因素包括接觸面的溫度、接觸面的粗糙程度、光強大小等。

2.1 接觸面的溫度

選用同樣質地和尺寸的黑色卡紙進行試驗，所得結果如圖1所示。其中，圖1（a）為一張卡紙被加熱過，圖1（b）為一張卡紙處于常溫狀態。利用控制變量法可以看出，在保證其他條件相同時，接觸面的溫度越高，散斑現象越明顯。

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行試驗，結果如圖2所示。利用控制變量法可看出，在保證其他條件相同時，接觸面越粗糙，散斑現象越明顯。

圖2 不同接觸面的粗糙程度效果對比圖

2.3 光強大小

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

圖3 不同光強大小效果對比圖

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，入射光波長越長，散斑現象越明顯。

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選擇不同距離進行對比試驗，結果如圖5所示。利用控制變量法可看出，在保證其他條件相同時，光束與接觸面的距離越遠，散斑現象越明顯。

圖5 光束與接觸面的不同距離效果對比圖

2.6 有無環境光的影響

分別從有光和無光的環境進行同樣的試驗操作，結果如圖6所示。利用控制變量法可看出，在保證其他條件相同時，在有環境光時，散斑現象更加明顯。

圖6 有無環境光的影響效果對比圖

3 結果分析

經過大量試驗，用理論知識解釋試驗現象。

（1）接觸面的溫度。根據分子動理論可知，溫度越高，分子無規則運動越劇烈，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，形成的散斑點逐漸分散，單個散斑的尺大小會發生變化，對其自相關函數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，散斑光強的概率密度函數中心值也逐步減小，導致光強分布不均勻，因此散斑現象也更加明顯。

（3）光強和入射光波長。光強和入射光波長的作用原理其實是相同的，當引入較強的參考光時，由于產生主干涉現象，干涉條紋間隔加倍，從而導致散斑直徑也加倍。

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

4 結束語

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