激光散斑(laser speckle)是指激光经粗糙表面漫反射或通过透明散射体（如毛玻璃）后，在散射体表面或附近光场中形成的无规则亮暗分布斑点。为助力学生直观理解激光散斑现象、掌握散斑干涉原理，并清晰观测物体表面微小形变的激光散斑干涉条纹，OMTOOLS面向高校教学与科研场景，推出可实现微小形变观测的激光散斑干涉实验系统。

实验原理

激光散斑原理

当相干光照射一个粗糙物体的表面（或通过透明的粗糙面）时，在物体表面前的空间，可得到一种无规律分布且明暗相间的颗粒状光斑，称为散斑。

由于激光的高度相干性，表面散射光在空间中随机相干叠加后会形成一亮暗分明的区域且呈现无规则分布，按照在散射面有无透镜，可以将散斑场划分为主观散斑（成像散斑）和客观散斑。

图1 漫反射散斑记录光路图

图1是利用粗糙物体表面对激光的漫反射来拍摄散斑图的光路图，其中S是具有光学粗糙表面的平面物体，用扩束后的激光光束照射，成像透镜将S面成像于像面(相机)上就形成了无规则的主观散斑，并通过计算机采集记录。

利用散斑干涉术测量面内位移

激光散斑干涉计量就是将物体表面空间的散斑记录下来，当物体运动或由于受力而产生变形时，这些随机分布的散斑也随之在空间按一定规律运动，因此能利用记录的散斑图分析物体运动或变形的有关信息。

如图1所示，当测量物体在面内发生位移时，通常在被测物体位移前，先将散斑记录下来，然后使物体垂直于光轴发生一微小面内位移d，再次记录。

两次记录的图样是同一个物体发生相对位移Md前后的两个散斑图（M为散斑图的放大倍数），其上的各斑点都是成对出现的，相当于在底片上布满了无数的“双孔”。与杨氏双孔衍射相似，在像面上看到的是在一个衍射晕内的等间距平行线，称为杨氏条纹图。杨氏条纹的方向与物体的位移方向垂直，条纹间距∆与物体表面对应区域的位移d有如下关系：

式(1)中，λ为 He-Ne 激光波长(632.8nm)；L为散斑图到屏的距离。杨氏条纹方向垂直于物体表面位移方向，条纹间距反比于位移的大小。

散斑干涉术测量离面位移

图2 相位差分析图

利用激光散斑测量离面位移的光路如图2所示，滤波、扩束后的激光光束照射到分光棱镜上，分出的光分别经待测物和参考物表面漫反射又经分光棱镜汇合而形成干涉，成像透镜将干涉散斑图成像于像面(相机)上并通过计算机采集记录。实验中要求参考光和物光的光程相等。

设参考光波的场强分布为

式(2)中，U_R(x,y)为参考光波的振幅；φ_R(x,y)为经参考物漫射后的参考光波的相位。初始物光波的场强分布为

式(3)中，U_O(x,y)为物光波的振幅；φ_O(x,y)为经物体漫射后的物体光波的相位。物光与参考光在相机靶面上相干形成的光强 I(r)为

当被测物体发生变形后，表面各点的散斑场振幅U_O基本不变，而相位φ_O(x,y)将改变为φ_O(x,y)- Δφ(x,y)，即

式(5)中，Δφ(x,y)为由于物体变形产生的相位变化。变形前后的参考光波维持不变，这样变形后的合光强I′(r)为

对变形前后的两个光强进行相减处理

由式(7)可见，相减处理后的光强是一个包含高频载波项

该低频系纹取决于物体变形引起的光波相位改变，故光程差与物体位移之间存在一定的几何关系。设物体上一点P，变形后位置变为P′，发生一微小位移，如图2所示。照明光源位置为S、相机位置为H，θ1和θ2分别是入射光和相机所接收的反射光与位移间的夹角，则由位移d引起的相位差为

为了使光路对离面位移敏感，应该使照明角和反射角（θ1

和θ2）都比较小，即cosθ1≈cosθ2=1，则由式(8)可以得到

由式(7)可知，在暗条纹处

将式(10)代入式(9)可得到

即暗条纹处的离面位移是半波长的整数倍。

实验过程

▋如图3、图4所示，搭建并调整实验系统；

图3 激光散斑干涉光路示意图

图4 激光散斑干涉实验系统

▋打开激光器，旋转滤光片转轮对光束衰减到合适的光强；

▋待光束稳定后，根据待测物M2反射回准直镜的光斑的位置，微调M2的角度、使反射光斑与入射光斑近似重叠；

▋将毛玻璃作为待测物体，光束投射到相机表面、采集散斑图。前后移动相机，仔细观察散斑场的分布情况，重点注意散斑的对比度、形状和大小与照明条件的关系等，从而得到对激光散斑的定性认识。

图5 平面镜干涉图

▋将毛玻璃换成激光损伤玻璃片、带划痕玻璃片和带数字钢板，重复以上实验。

图6 待测物体表面微小形变的激光散斑干涉条纹

注：本实验可通过编写软件定量分析测量微小离面位移，例如被测物划痕、激光损伤程度等；也可以测量压力盒的形变、压电陶瓷的压电系数等。

激光散斑应用

散斑因携带光束及被测物体的光学信息，应用十分广泛，例如：

✔ 利用激光散斑对比度测量反射表面粗糙度；

✔ 利用散斑动态特性测量物体运动速度；

✔ 用于光学信息处理及验光等；

其中应用最广的是散斑干涉测量技术，主要应用领域包括：

✔ 机械工程：测量物体表面形变、裂纹、损伤及应力分布等；

✔ 天文学：测量大气扰动与温度场分布等；

✔ 医学：角膜、视网膜形变检测及术后评估等；

✔ 光处理：光通信处理、量子信息处理技术等。

组件清单