為什麼激光光束(或其反射)會看起來有顆粒感?

問題描述:相信不少人小時候都玩過紅色綠色激光筆,當你看激光筆點亮的區域時,那個光斑並不會是均勻的紅色,而是會看到一些小顆粒,還會不斷變化,如噪聲一般。不光是紅色激光筆,半導體激光器,綠色激光筆和HeNe激光器發出的光束也有同樣的顆粒。我只知道激光光束宏觀上來說是高斯光束,那這些顆粒怎麼解釋呢? ps.應該不是漫反射,光滑的鏡面上也可以重現此現象。 配圖為激光照射在某表面的光斑。
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匿名用戶:
簡而言之:
干涉(interference)

具體講就太復雜了,可以嘗試搜索關鍵詞:Speckle Pattern

可參考:
http://www.asu.edu/courses/phs208/patternsbb/PiN/rdg/lasers/lasers.shtml
http://arxiv.org/pdf/0907.3376v1.pdf
http://mmrc.caltech.edu/PD_Expert/Intros/dynamiclightscattering.pdf
http://www.astro.caltech.edu/~nlaw/thesis/thesisch1.html
http://web.stanford.edu/~dco/pubs/2012_OE_Speckle.pdf


Tuzki Wang:

這是激光散斑
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1、產生原因

根據惠更斯-菲涅爾原理,漫射表面為無數微小的點光源。由於激光的強相乾性,這些點光源所發射的相乾子波光束的空間彼此相干。相干光束的位相差的不同,在空間形成亮斑,暗斑,或介於亮斑與暗斑之間。由於漫射相乾子波光束之間的位相差是隨機分布,因而這些相乾子波光束在空間形成了無數隨機分布的亮斑與暗斑,稱之為散斑。

散斑效應僅僅存在於漫射表面呈光學粗糙的情況,也就是漫射表面的不平度大於或等於照明光束的波長量級。

2、激光散斑光路

(圖侵刪)

來自參考文獻1

3、應用

散斑的存在往往影響到光學儀器的解析度。激光器用於全息照明
之後,也發現了激光散斑對全息照相解析度的影響。人們一直認為
這種散斑是帶著無用資訊的特殊噪聲, 出了許多減弱乃至消除散
斑的方法。直至1969年後,人們通過研究逐漸發現了散斑所攜帶的一些有用資訊,並逐步發展成一激光散斑計量技術。

產生散斑可由以下三種基本方法:

a. 用一束擴展的激光束照明固體的漫射表面,並由此表面漫反射後,在空間形成激光散斑,在空間某一確定位置所觀察到的
散斑光強,稱之為該空間位置的散斑狀態。如果物體表面的漫射子波源發生變化,該空間位置上相應的散斑狀態也將發生
變化。若跟蹤觀察某一個散斑狀態保持不變的散斑,該散斑將
隨物體表面漫射子波源的變化而產生空間位置的移動,稱之為散斑位移。它是激光散斑計量技術測量實驗固體力學參數的基礎。

b. 是用一束準直的激光束照明一個透射的漫射表面(如毛玻璃
)時,由漫射表面的透射光束在空間形成散斑。此時,空間散
斑位移往往與光束傳播方向的變化有關。它是激光散斑計量技
術測量流體密度場、濃度場和溫度場的基礎。

c.激光束直接照明——激光束直接照射在彌散於空間的粒子場,
這些在空間隨機分布的粒子漫射出來的光束在空間形成了激光
散斑,空間散斑位移與漫射粒子的運動狀態有關。它是激光散斑檢測技術測量流體速度場的基礎

有錯誤已更正。電子散斑測量:為克服散斑干涉中顯影定影的遲滯的不足,加入攝像裝置(CCD等)、信號處理電路、顯示器。發展出了電子散斑干涉測量技術。見下圖,參考文獻2

參考文獻:

1、傅里葉光學導論 (已絕版)

2、《光學全息及資訊處理》於美文,國防工業出版社


進擊的庫瑪:

前光學專業前來作答~~
大三的時候問激光原理老師這個問題,老師先誇獎了我觀察仔細,然後告訴我這是激光的散斑,由於激光的高度相乾性產生的特殊干涉現象。高斯光束只是說明了這個激光的剖面上光強分部是高斯分部,和這個散斑沒有關系。

下面這段來自百度百科:
這種顆粒狀態被取名為”激光散斑”。這種強度隨機分布的散斑圖樣,可以由激光在粗糙表面反射或激光通過不均勻媒質時產生。因為大多數物體表面對光波的波長(以氦氖激光器為例,λ≈0.6μm)來講是粗糙的,由於激光的高度相乾性,當光波從物體表面反射時(圖1), 物體上各點到適當距離的觀察點的振動是相乾的。因此觀察點的光場是由粗糙表面上各點發出的相乾子波的疊加。
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百度百科結束

換人話說,就是由於激光的光子們的頻率(對於可見光就是顏色),相位(光也算是波,會震動的,相位就理解成現在震動的位置)和振幅(對於可見光就是亮度)都一樣,互相遇到會發生互相干涉(簡單說即同相位同頻率的振幅會疊加,反相位同頻率的振幅會削減)。由於表面粗糙,一束激光里的光子們會被粗糙表面反射得四處亂跑,於是遇到同相位的光子話,那個相遇的地點就會變亮,遇到反相位的光子那個地方就變暗。

這里的「光子」我用得不是很嚴謹,只是表達「激光束裡面的一個小塊光」的意思。光在傳播過程中,初始相位(一開始的震動位置)是不變的,但是瞬間相位(當前的震動位置)會隨傳播(往前走)的過程不斷以2 pi(一個圓周)而周期變化。所以雖然光子們出來的時候初始相位都相同,但是遇到反射物體以後(這里用牆,漫反射。鏡面再光滑也有灰塵),反射到某一點後有的光子多走了一些,有的光子少走了一些,所以反射以後再相遇時他們的相位就不同了,因此會出現有的地方亮有的地方暗這種斑斑點點的圖案,稱為散斑。


Aorqu用戶:
Speckle的產生,一句話的理論解釋是interference,interference出來有沒有speckle,和光是不是coherent有直接關系, 作為科研民工,不在這里講理論了,說一下實際情況下想搞出speckle需要注意哪些:

Speckle產生具體條件有媒介的結構,比如說表面粗糙度超過一定程度,造成path length difference超過光波長度,還有光源的coherence,比如如果光源是白光,哪怕小範圍波段的光(也就是激光)在同樣媒介上能產生speckle,白光(temporal incoherent)的話就見不到speckle。。。

所以普遍接受的Rule of Thumb:激光光源的coherence length必須要大於媒介在光源peak wavelength的path-length distribution 的FWHM(Full Width Half Maximum),不然的話,這邊就看不到speckle,為什麼?因為媒介里出來的光已經不再coherent。。


Aorqu用戶:
這是我在N年前拍的氦氖激光器的光斑,顆粒感有木有啊?真沒想到N年前的照片可以派上用場啊…

其實大家如果細心的話,就可以在激光光束中發現忽明忽暗的亮點,不管是什麼顏色的光,只要是可見的,都會出現這種(不可見激光也是有的,必須通過CCD等捕捉),原因其他朋友也做了解釋,就是激光是相干光源,由於相位的疊加,出現明暗變化。
關於光斑,如果你直接打在物體表面的話,可以在光斑周圍看到一圈一圈的同心(或者偏心)干涉條紋,有條件的朋友可以試試的。明暗情況和激光的功率、波長、模式等有關系,如果功率低的話,激光模式又差,干涉條紋可能看不到,再加上物體表現漫反射嚴重,可能就會出現題主的圖案。
就不深入談了,這玩意太廣。。

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