Лазеры и коллимация

Если лазеры коллимированы, что заставляет их деколлимировать? Их производственная система, кажется, предполагает полностью линейный, коллимированный источник света, но они распространяются на большие расстояния. То же самое относится и к синхротронам. Почему это происходит?

Ответы (3)

Существует фундаментальный предел коллимации лазера из-за дифракции. Предполагая, что профиль лазерного луча представляет собой однородный диск, он будет дифрагировать на диск Эйри на больших расстояниях, а угловой разброс приблизительно определяется выражением:

θ ≈ 1,22 λ д

где г это диаметр луча. Предполагая диаметр 1 мм, который кажется разумной оценкой для большинства лазеров, которые я видел, вы получаете угловую расходимость около 0,6 миллирадиан для света 500 нм.

Я почти ничего не знаю о конструкции лазеров, но Википедия сообщает , что расхождение обычно составляет менее 1 миллирадиана , что согласуется с приведенной выше оценкой.

Если луч является гауссовским, постоянная будет 1 π а не постоянная Эйри

После ответа Джона Ренни я прочитал 1-й абзац Коллимированного света в Википедии. В последних 3 строках говорится, что «иногда говорят, что коллимированный свет фокусируется на бесконечности. Таким образом, по мере увеличения расстояния от точечного источника сферические волновые фронты становятся более плоскими и ближе к плоским волнам, которые идеально коллимированы».
Означает ли это, что для источника света с достаточной мощностью мы будем иметь идеально коллимированный свет после определенного расстояния от источника, когда он уже прошел свою расходящуюся фазу из-за сферических волновых фронтов? Таким образом, после определенного расстояния у нас есть идеально параллельные плоские волновые фронты, и луч больше не будет расходиться!

Лазеры не идеально коллимированы.

На самом деле, согласно аналогу принципа неопределенности Гейзенберга, принципиально невозможно создать идеально коллимированный пучок света от источника конечного размера.

Почему? Если свет движется в направлении z и он идеально коллимирован, то импульс фотона в направлениях x и y точно равен нулю. Это означает, что положение фотона в направлениях x и y совершенно неизвестно. Опять же, только волна с бесконечно широким поперечным сечением может быть точно коллимирована.

Лазерный луч никогда не бывает очень большим и уж точно не бесконечно большим. Размер лазерного луча зависит от активной области лазера (области, излучающей лазерный свет), а также зависит от линз, которые вы ставите после лазера. Например, лазерная указка может иметь свой свет в круглом пятне диаметром 1 мм (до того, как он распространится). Как правило, длину волны лазерного излучения можно разделить на 1 мм. Вы получаете очень маленькое число, но оно не равно нулю. Это число является более или менее наименьшим возможным углом расхождения (в радианах), который может иметь этот луч.

Хотя это зависит от приложения, люди, которые делают лазеры, обычно стараются, чтобы они выдавали что-то близкое к гауссову лучу , который является более или менее наиболее коллимированным из возможных, учитывая конечный размер луча. Если вы читали о гауссовских лучах, вы увидите очень прямой компромисс между площадью поперечного сечения луча и его углом расхождения.

Ну, невозможно даже вложить 100% энергии в идеальный гауссовский пучок (опять же, потому что лазер имеет конечный размер), но вы можете приблизиться к 100%. См. M 2 и продукт параметра луча, чтобы узнать, как эти вещи характеризуются.

Это точка зрения частиц, фотографии лучше описать как волны для этого случая и большинства других. Лазер может быть идеально коллимирован в одной z-позиции. И не «невозможно даже вложить 100% энергии в идеальный гауссовский пучок».
@LukeBurgess - у вас есть забавное определение «коллимации», если волна может быть «коллимирована в одной позиции z». Весь смысл коллимации луча в том, что он должен оставаться коллимированным по мере своего движения, пока не попадет на следующую линзу. Луч конечного размера никогда не может быть идеально коллимирован. Вы можете доказать это, размышляя о фотонах, или работая с уравнениями Максвелла, или размышляя о принципе Гюйгенса, или размышляя о дифракции, или размышляя о преобразованиях Фурье и разложениях на плоские волны. (На самом деле все это равносильно одному и тому же.)
@LukeBurgess - Когда вы уходите от центра гауссова луча, интенсивность уменьшается экспоненциально, но никогда не достигает нуля на конечном расстоянии. Следовательно, источник или резонатор конечного размера НЕ МОЖЕТ быть на 100% согласованным по моде с гауссовым лучом. Может быть, вы сможете найти источник, который направляет 99,99% энергии в идеальный гауссов луч, но не 100%.
Если какая-либо часть луча не является гауссовой, можно сказать, что такая часть не является частью луча. Эта часть возникает из-за интерференции с другими волновыми формами. Читать arxiv.org/pdf/1308.1326.pdf
Я написал: «Невозможно передать 100% оптической энергии [лазера] идеальному гауссову лучу». Это, очевидно, верно, потому что лазеры имеют конечный латеральный размер, а гауссовский луч — нет. Вы действительно утверждаете, что это утверждение не соответствует действительности? Ваш комментарий выше («... не часть луча») звучит как «100% энергии уходит в гауссовский луч, если вы игнорируете энергию, которая не входит в гауссовский луч». Вы действительно спорите о такой глупости? Если нет, то я вас не понимаю. В документе, на который вы ссылаетесь, упоминается связь с эффективностью ~ 99,3%, которую они округлили до 100%.
Если вы в ответе говорили об устройстве, а не о луче, то что вы пытаетесь сказать? Да, "Лазерные" приборы не на 100% эффективны, и лучи действительно рассеиваются из-за частиц воздуха. Но вы сказали, что «в принципе невозможно создать идеально коллимированный пучок света». Если вы добавите квалификаторы, такие как «поддерживать», «сохранять», «по всему пространству» или «на неопределенный срок», то я в порядке. Но в нынешнем виде это утверждение вводит в заблуждение. Кстати: я надеюсь, вы знаете, что гауссовский луч не является плоской волной, за исключением одного положения вдоль его оси движения.
Я надеюсь, вы знаете, что гауссовский луч нигде не является плоской волной, точка. Это не плоская волна в перетяжке луча, это не плоская волна где-либо еще. Он также не «коллимирован» на перетяжке луча или где-либо еще. Я думаю, вы запутались в определениях «плоская волна» и «коллимированная».
Фронт плоской волны или фронт коллимированной волны — это любой фронт волны с радиусом кривизны на бесконечности.
«В талии волновой фронт представляет собой плоскость». optique-ingenieur.org/en/courses/OPI_ang_M01_C03/co/…
«Плоская волна» — это технический термин со стандартным определением, которое вы можете (и должны) найти в любом учебнике. Вы увидите, что определение «плоская волна» не то, что вы думаете. (Конечно, если хорошенько поискать, можно найти кого-нибудь , кто неправильно использовал термин «плоская волна». Но я обещаю, что термин «плоская волна» совершенно стандартный и недвусмысленный.) Я рад, что вы, по-видимому, понимаете физику распространение света, но вы НЕ знаете терминологию, чтобы говорить об этом, например, стандартные определения «плоская волна» и «коллимированный».
Что это за более «однозначное» определение, чем «волновой фронт с радиусом кривизны на бесконечности»? «Коллимированный луч имеет радиус кривизны, приближающийся к бесконечности» с сайта laser.physics.sunysb.edu/~ariana/tm .
это лучше: «Поскольку источник находится в бесконечности, волны, достигающие препятствия, являются плоскими волнами. Кривизна волнового фронта незначительна». ПРИНЦИПЫ ФИЗИКИ - П.В. НАИК
Вам нужно правильное определение, а не просто однозначное определение. Например, если вы говорите, что «нейтрон — это термин для любой нейтральной частицы», это однозначное , но неверное определение . :-P Вы не можете назвать что-то «плоской волной», если у нее нет плоских волновых фронтов (обратите внимание на множественное число; одного плоского волнового фронта недостаточно) И (в связи с этим) она имеет постоянную интенсивность в боковых направлениях. Цитата Наика согласуется с этим. Опять же, вы можете посмотреть это в любом учебнике или спросить любого эксперта, что означает «плоская волна».
как насчет замены «идеальной коллимации» на «идеальную плоскую волну». Я могу согласиться с этим. Один раз, когда я использовал слова «плоская волна», я закончил их словом «фронт», чтобы было ясно, что я не говорил во всем пространстве-времени. (Кроме цитируемого материала). Если это нужно превратить в вопрос...
Подробнее см. на physics.stackexchange.com/q/89642/31516 .
Лазеры и коллимация
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 7v