Почему искусственные передачи когерентных электромагнитных волн имеют тенденцию быть изотропными на радиочастотах, но направленными на видимых частотах?

Вы написали: «Хотя можно создать направленный луч на радиочастотах, это гораздо сложнее сделать и требует разработки антенной решетки, в которой каждый элемент управляется индивидуально с отдельным тщательно контролируемым фазовым сдвигом».

Это не совсем так, например, в 1955 году (!) армия США представила приборную РЛС AN/FPS-16 в С-диапазоне (~5,5 ГГц) с коэффициентом усиления антенны 44 дБ и соответствующей шириной луча.$1.1^{\circ}$. Обратите внимание, что антенна для достижения этого имеет диаметр 12 футов.

В общем, теоретически любая форма луча, которая возможна в оптике, теоретически может быть достигнута на ВЧ (3 кГц - 300 ГГц). Практика отличается по нескольким причинам, но основная причина всегда заключается в том, что ширина луча антенны пропорциональна ее длине волны и обратно пропорциональна ее характерному размеру (т. Е. «Когерентно освещенному размеру»):$\Delta \theta_{3dB} \approx k_0\frac{\lambda}{D}$, где$k_0 = O(1)$. Весь макроскопический оптический материал имеет размер в тысячи длин волн, поэтому естественная ширина когерентного луча при использовании около$500nm - 10\mu m$будет$\frac{10}{1000} \rm{rad}< 1^{\circ}$пальцем не пошевелив, так сказать.

Дипольные антенны и их прямые родственники имеют круговую и плоскую симметрию, как и их диаграмма направленности (очень «неоптическая»), но другие излучатели, такие как открытый конец волновода или рупорный излучатель, ведут себя, так сказать, как воронка, факел. Есть параболические тарелочные антенны вплоть до более низких УВЧ. Самая большая из недавно выведенных из эксплуатации — это 300-метровая (!) тарелка https://en.wikipedia.org/wiki/Arecibo_Telescope , работающая в диапазоне от 300 МГц до 10 ГГц. Это не просто «тарелка», это скорее григорианский телескоп с эллипсоидным первичным рефлектором и параболическим вторичным. Излучатель, освещающий первичный элемент, скорректирован на кому (!), как и любой уважающий себя телескоп.

Относительно механизма передачи обратите внимание, что распространение волны по формуле Фрииса https://en.wikipedia.org/wiki/Friis_transmission_equation

$$\frac{P_r}{P_t}=\frac{A_r A_t}{\lambda^2 d^2}$$ из которого видно, что для данного расстояния отношение принимаемой мощности к передаваемой зависит от произведения эффективных излучающих площадей антенн, деленного на квадрат длины волны. Но есть еще одна проблема, которую нельзя увидеть в формуле Фрииса, а именно фактическое распространение электромагнитных волн в реальной рассеивающей и поглощающей среде. Этот эффект сильно зависит от частоты, например, ниже ВЧ земля является проводником и может использоваться как эффективная заземляющая плоскость, так что существует волноводное распространение между верхней частью атмосферы и поверхностью земли, тарелка размером с длину волны будет быть больше Земли, но нагруженный монополь практичный, см. https://en.wikipedia.org/wiki/VLF_Transmitter_Cutler .

... какова фундаментальная причина такого противоположного поведения на разных частотах? Является ли это просто следствием природы применяемых в настоящее время механизмов генерации или есть какая-то фундаментальная причина, присущая самим электромагнитным волнам на разных частотах?

Причина электромагнитного излучения в тепловых источниках, в лазерах и в радиоволнах одна и та же. Все ЭМ излучение начинается с возмущения зарядов. Это тривиально, но полезно помнить об этом при любом обсуждении электромагнитных волн.

ЭМ излучение

Длины волн, на которых излучают ускоренные заряды, зависят от их кинетической энергии.

• Для лампочки это в основном инфракрасный диапазон. Полоса пропускания не имеет четкого пика, а представляет собой колоколообразную кривую. Это связано с хаотическим движением электронов в проводе сопротивления и, таким образом, с сильным изменением кинетической энергии.
• Обычные лазеры представляют собой особые случаи искусно разработанных материалов и геометрий, в которых заряды возмущаются лишь в очень ограниченной степени и имеют острые пики на излучаемых длинах волн.

В обоих случаях возмущенные электроны испускают ЭМ излучение в виде фотонов. В сумме эти фотоны не обладают свойствами волны с ее осциллирующим энергетическим наполнением. Тем не менее, от таких источников можно генерировать модулированное ЭМ излучение. Если их включать и выключать, то получаются пакеты фотонов, и при небольшом усилии такое модулированное излучение может иметь синусоидальную функцию.
При включении и выключении лампы накаливания с частотой 1 Гц мы теперь имеем дело с двумя полосами пропускания. Один - это (в основном) ИК-излучение, а второй - модуляция этого ИК-излучения с частотой 1 Гц.

электромагнитные волны

Радиоволны обладают очень специфическим свойством, которого нет даже у модулированного излучения лампочки. Фотоны, испускаемые ускоренными зарядами в стержне антенны, поляризованы. Поверхностные электроны ускоряются синхронно и все в одном направлении. Общее электрическое поле превращается в общее магнитное поле, из которого образуются фотоны с избыточной энергией.

Сколько фотонов испускается за полупериод? Электроны чувствуют разность электрических потенциалов от генератора антенны и начинают двигаться, ускоряются, декальерируются и останавливаются. В этот период они излучают много фотонов. В противном случае мы бы видели только острые пики в некоторые моменты и никакого излучения между ними.

Важнейший вопрос заключается в том, какие длины волн имеют испускаемые фотоны. Например, радары представляют собой модулированное электромагнитное излучение с частотами от МГц до ГГц. Но среди прочего они излучают рентгеновские лучи в диапазоне от 30 петагерц до 30 экзагерц. Управление радиоизлучателями с короткими антеннами и мощными генераторами позволяет модулировать те же частоты, что и хорошо настроенные излучатели, но делает электромагнитное излучение более жестким.

Показ изображений с электромагнитным излучением от гамма-излучения до радиоволн хорош для технических целей, но не информативен для получения степени по физике. К сожалению, в наше время это забыто.