“激光散斑測(cè)速”是怎么回事？

題目 （2004年天津理綜試題）：激光散斑測(cè)速是一種嶄新的測(cè)速技術(shù)，它應(yīng)用了光的干涉原理。用二次曝光照相所獲得的“散斑對(duì)”相對(duì)于雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的雙縫。待測(cè)物體的速度v與二次曝光時(shí)間的間隔Δt的乘積等于雙縫的間距。實(shí)驗(yàn)中可測(cè)得Δt，雙縫到屏之距離l以及相鄰亮條紋間距Δx。若所用激光波長(zhǎng)為λ，則該實(shí)驗(yàn)確定物體運(yùn)動(dòng)速度的表達(dá)式是

A.v=λΔx/lΔt。

B.v=lλ/ΔxΔt。

C.v=lΔx/λΔt。

D.v=lΔt/λΔx。

解 設(shè)雙縫間距為d，則d=vΔt，又Δx=lλ/d，則v=d/Δt=lλ/ΔxΔt，故選B。

此題解的過(guò)程很簡(jiǎn)單，但所敘述的實(shí)驗(yàn)情景對(duì)于多數(shù)中學(xué)老師來(lái)說(shuō)是不清楚的。激光散斑測(cè)速到底是怎么回事？這一實(shí)驗(yàn)與雙縫干涉實(shí)驗(yàn)之間從“效果”上講有怎樣的“等同”關(guān)系？這一問(wèn)題一直困擾著中學(xué)物理老師。

我們知道，大多數(shù)物體的表面是極為粗糙的。當(dāng)用激光照射這樣不透明的物體表面時(shí)，經(jīng)反射形成的散射光可看作是物體表面上有無(wú)數(shù)個(gè)相干點(diǎn)源發(fā)出的，它們?cè)诳臻g相互干涉，由于散射光之間的傳播方向不同，造成這些亮斑與暗斑的分布是雜亂的和隨機(jī)的，即形成隨機(jī)分布的一些亮點(diǎn)和暗點(diǎn)。這就是所謂的激光散斑。因?yàn)樯邤y帶著物體粗糙表面的某些信息，借助于散斑不僅可以研究物體粗糙表面本身的信息，而且還可研究其形狀與位置的變化。當(dāng)物體表面的某一點(diǎn)發(fā)生相應(yīng)的微小位移時(shí)，要引起所對(duì)應(yīng)的散斑點(diǎn)發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)。當(dāng)一束激光照射到被測(cè)物體表面（通常稱為散射體）時(shí)，在散射體附近空間出現(xiàn)的散斑稱為空間散斑。由于散射體表面的無(wú)規(guī)則結(jié)構(gòu)，任一獨(dú)立的散射基元光波對(duì)其相鄰散射元的相位差在0~2π之間隨機(jī)分布。在空間散斑場(chǎng)中任一點(diǎn)的光振動(dòng)是大量基元光波在該點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)求和，這樣在空間就形成了空間散斑（稱為菲涅耳型散斑）。如果將被測(cè)的散射體用透鏡成像，則在像面上得到的散斑稱為像面散斑（稱為夫瑯和費(fèi)型散斑）。根據(jù)激光散斑的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，不論是空間散斑還是像面散斑，其分布都是隨機(jī)的。實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般采用將散射體通過(guò)透鏡成像，所得散斑為像面散斑，如圖1所示。

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如果我們對(duì)散斑拍照，在底片上就會(huì)形成隨機(jī)分布的光孔。

以圖1為例，用激光照射物體（如毛玻璃），在像面（底片）上形成像面散斑圖樣。曝光一次后，將物體垂直光軸位移一微量Δx，再等時(shí)曝光一次，這樣，底片上就記錄了兩個(gè)完全相同的像面散斑圖，只不過(guò)兩幅散斑圖之間有一相對(duì)位移。兩兩散斑形成無(wú)數(shù)個(gè)散斑對(duì)，每一個(gè)散斑對(duì)可看成是一個(gè)孔對(duì)，每一孔對(duì)經(jīng)相干光照射后，在接收屏上都會(huì)形成自已的揚(yáng)氏干涉條紋。我們?nèi)搜勰芸吹降?，是這些余弦條紋的強(qiáng)度疊加。這樣用二次曝光的照相方法將物體表面產(chǎn)生的微小位移前后散斑紀(jì)錄在同一張紀(jì)錄材料上，通過(guò)分析比較就可測(cè)量出物體表面的微小位移。

為了使得問(wèn)題簡(jiǎn)化，在處理激光散斑時(shí)，可以采用題中所述的方法，將二次曝光照相所獲得的“散斑對(duì)”看作是雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中的雙縫。這樣，待測(cè)物體的速度v與二次曝光時(shí)間間隔Δt的乘積就等于雙縫的間距。

(欄目編輯羅婉華)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。