為什麼激光光束(或其反射)會看起來有顆粒感?
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,如雜訊一般。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。
恭喜你慧眼如炬發現了激光散斑現象!這本質上是光的干涉效應。激光具有良好的單色性和相干性,當它照射到一般物體的粗糙表面上、從凹凸不同的地方反射到眼睛裡時,會有一個微小的光程差,它們相互干涉,有的相長,有的相消,從而形成明暗分布的斑點。這裡粗糙是相對於光的波長(幾百納米)而言的。類似地,激光透過表面粗糙的玻璃(如浴室的毛玻璃)時,從背面也可以觀察到細小的散斑。
然而以上知識點太簡單了,我們可以做一些稍加深入而有趣的拓展。當反射面或投射面上的凹凸起伏隨機時,散斑沒有明顯規律;而如果在透明板上特意設計和製作一些圖案P,就可以讓出射的無數束光相互干涉(其實就是衍射)形成特定的圖案P』,二者可以用傅里葉變換聯繫起來。玩具激光筆的前置圖案頭、酷炫的全息圖等都與這個原理相關。
舉個最簡單的例子,你可以在鏡子上劃一道痕迹(挨打概不負責)或者放一根頭髮(脫髮請自珍重),用激光照射並反射到牆上,很容易觀察到明暗相間、整齊排列的單縫衍射條紋;或者運氣好的話照到圓形的坑點或細小的灰塵,會在牆上投影出一系列類似牛頓環的同心圓來。麻雀雖小,五臟俱全,可別小看普通的激光筆哦, 在家裡完成這些實驗毫無壓力,快去試試吧!另外特別提醒一下,由於波長越長衍射效應越明顯,選用紅色激光會比綠色、紫色的更容易觀察哦。
備註:如果激光幾乎垂直入射到鏡子上,再接近原路返回,也會在牆上投影出一系列類似牛頓環的同心圓來。這個現象也很有趣,是我之前科普課堂上設計的等傾干涉簡化版,無需後置透鏡。然而這裡需要激光並非完全平行,有輕微的發散角,並不適合作為干涉演示的標準模型。故此處略去。
本回答部分內容原載中科院物理所微信公眾號 周五問答專欄第63期
鏈接: http://mp.weixin.qq.com/s/aV6H-HSUFtBhBhuKOm_ptg
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簡而言之:
干涉(interference)具體講就太複雜了,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.shtmlhttp://arxiv.org/pdf/0907.3376v1.pdf
http://mmrc.caltech.edu/PD_Expert/Intros/dynamiclightscattering.pdfhttp://www.astro.caltech.edu/~nlaw/thesis/thesisch1.htmlhttp://web.stanford.edu/~dco/pubs/2012_OE_Speckle.pdf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,由於激光的高度相干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,和這個散斑沒有關係。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,由於激光的高度相干性,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干的。因此觀察點的光場是由粗糙表面上各點發出的相干子波的疊加。————————————————————————————————————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。
這裡的「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(這裡用牆,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。這是激光散斑==================================================
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。由於激光的強相干性,這些點光源所發射的相干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。由於漫射相干子波光束之間的位相差是隨機分布,因而這些相干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信息的特殊雜訊, 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信息,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、《光學全息及信息處理》於美文,國防工業出版社
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有直接關係, 作為科研民工,不在這裡講理論了,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。。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、模式等有關係,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。。
個人感覺主要是因為激光會在粗糙表面(或者所謂的光滑表面相對光波長來說也是粗糙的…)發生漫反射,其中射向眼睛方向的光束互相干涉,就形成了這種顆粒感。另外灰塵、氣流、溫差等造成光路在不聽地發生細微變化,所以一般看這些顆粒都在不停抖動。
總結上面幾位大牛意思就是:激光自己因為外部條件而干涉產生的散斑(因為本來激光就具有很高的相干性)~~~~~另外,實際上這也與反射物體表面有關,雖說是光滑鏡面。。實際上相對激光而言還是粗糙的很。因此才會造成漫反射,自己和自己干涉了。
這麼複雜么 以為是灰塵
翻了半天,終於看到一個有價值的問題了,感謝提問者
因為雷射的同調性高,所以visibility就大,很容易看到像這種亮暗亮暗的斑點,可以去看好人那本第六章有寫喔@@
激光的相干性,打在表面上表現為空間相干性,出現的顆粒感其實是相互干涉後的明暗的表現
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