¿Cómo causa la difracción la divergencia del rayo láser y por qué un rayo láser siempre diverge debido a la difracción?

He visto que se dice que la difracción provoca la divergencia del rayo láser, o que un rayo láser siempre divergirá, debido a la difracción, o alguna variación de estas afirmaciones. Entiendo la difracción en general y entiendo que el fenómeno se aplica a todas las ondas, así que entiendo que también se aplicaría a los rayos láser; pero no me queda claro cómo causa la divergencia del rayo láser, o por qué un rayo láser siempre diverge debido a la difracción. Al tratar de investigar para entender cómola difracción causa la divergencia del rayo láser, no puedo encontrar nada que explique esto directa y claramente; la mayoría de los resultados solo mencionan la difracción en el contexto de los láseres sin proporcionar una explicación, o mencionan 'haces limitados por difracción', que creo que es algo diferente a lo que estoy preguntando Entonces, ¿cómo la difracción causa la divergencia del rayo láser y por qué un rayo láser siempre diverge debido a la difracción?

Le sugiero que busque el principio de Huygens y juegue con él para ver cómo se aplicaría a un rayo láser de varios anchos.
No es cierto que todos los rayos láser diverjan debido a la difracción. Lo que es cierto es que todos los rayos láser con extensión espacial finita divergen debido a la difracción.
@ThePhoton Suponiendo que la "extensión espacial finita" es lo mismo que el "confinamiento espacial", ¿no tienen todos los rayos láser una "extensión espacial finita"? ¿No es esta la suposición que usamos cuando resolvemos las ecuaciones de Maxwell, que luego da como resultado el 'haz gaussiano'? ¿O estoy malinterpretando algo?
Sí, todos los rayos láser reales tienen una extensión finita. Pero no siempre usamos esa suposición cuando resolvemos las ecuaciones de Maxwell. Por ejemplo, cuando obtenemos soluciones de ondas planas (que, ojo, es una solución que no diverge por difracción).
@ThePhoton oh, cierto. Pero, por lo que recuerdo, las soluciones de ondas planas no producen un haz gaussiano.
Sí, pero ¿estás preguntando si todos los haces gaussianos divergen o si todos los posibles haces divergen?
@ThePhoton Eh, esa es una buena pregunta. Sinceramente, ni siquiera estaba considerando el tipo específico de haz. Mi pregunta es más, cómo la difracción causa la divergencia del rayo láser, en general , ya que esta es la afirmación general que encuentro durante mis investigaciones/estudios. Quiero decir, asumo que todos los tipos de haces divergen debido a la difracción, ¿no?
Ahora vuelve a mi primer comentario.
@ThePhoton Ahh, está bien, ahora tiene sentido. Bueno, entonces, supongo que mi pregunta es solo con respecto a aquellos haces que divergen debido a la difracción (específicamente, haces gaussianos).
Consulte esta pregunta y las respuestas asociadas: physics.stackexchange.com/questions/444894/…
@ThePhoton 1. No hay láseres con una extensión espacial infinita. 2. Por lo tanto, todos los rayos láser tienen una extensión espacial finita en el láser. 3 Por lo tanto, todos los rayos láser se difractan.

Respuestas (5)

El punto clave es que un rayo láser es una onda que se propaga según el principio de Huygens . Una vez que aceptas este hecho, la divergencia sigue naturalmente.

El principio de Huygens establece que la propagación se debe a la generación de ondas esféricas, que generarán ondas esféricas en el siguiente paso de propagación. [Imagen tomada de wiki ]ingrese la descripción de la imagen aquí

En la imagen vemos que el centro del "agujero" genera una onda "plana". La difracción es evidente sólo en los bordes.

Para capturar el comportamiento de la "parte central" de un frente de onda usamos la aproximación y omitimos los bordes hasta cierto punto. En la imagen superior podríamos describir la parte central como una onda plana. Si en cambio usamos espejos esféricos para generar una onda que se propaga, terminamos con el haz gaussiano

mi ∝ mi X pag ( − r 2 w 0 2 ( 1 + ( z / z R ) 2 ) )
Si incluimos la corrección de fase cuadrática para el frente de onda y la fase de Gouy la aproximación mejora. Sin embargo, el haz gaussiano siempre es una aproximación que se obtiene omitiendo los bordes de la onda (al derivarla, usamos la ecuación paraxial de Helmholz).

Gracias por la respuesta. Entonces, si entiendo esto correctamente, el razonamiento es que, dado que la presencia de cualquier apertura/apertura causará difracción, ¿es la presencia de una apertura en los láseres lo que causa la difracción? Además, ¿es necesario utilizar espejos esféricos para que funcionen los láseres?
Lo siento pero no. El razonamiento es: (1) Un láser se comporta como una onda. (2) El principio de Huygens describe su propagación. (3) El principio de Huygens utiliza la superposición de ondas esféricas. (5) Si tenemos una superposición de ondas esféricas, la difracción es inevitable y esperable/comprensible. El tamaño finito del rayo láser solo es importante, porque la difracción es detectable solo en las "alas" del rayo. Después de todo, la difracción es la desviación de la propagación lineal; véase Sommerfeld.
en.wikipedia.org/wiki/Huygens –Fresnel_principle "Establece que cada punto en un frente de onda es en sí mismo la fuente de ondas esféricas, y las ondas secundarias que emanan de diferentes puntos interfieren mutuamente". Entonces, ¿los espacios que vemos entre las ondas se deben a una interferencia destructiva?
No, ellos no son. Estas son "ondas coseno", pero en 3D. Como no podemos dibujar un coseno en 3D, solo dibujamos los puntos, donde la fase es cero, ϕ = 0 . Estas son las líneas en mi foto.
Vale, entiendo. Gracias por tomarse el tiempo para explicar.

La descripción más simple de un rayo láser utiliza la óptica de rayos. A menudo es una buena aproximación. En ella la luz es un rayo que sigue una línea recta. De acuerdo con esta descripción, no es necesario que haya divergencia. Esta descripción es demasiado simple.

Una mejor descripción es la luz como una ola. Para obtener el haz verdadero, debe resolver las ecuaciones clásicas de Maxwell con una condición de contorno. La cavidad óptica de un láser debe tener espejos curvos para ser estable. La solución de onda para una cavidad delimitada por espejos esféricos es un haz gaussiano . Los frentes de onda son esféricos. Los "rayos" no son del todo rectos, sino que siguen trayectorias hiperbólicas. La sección transversal de la viga es gaussiana. La intensidad es máxima en el eje del haz y cae suavemente alejándose del eje.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Imagen de https://www.rp-photonics.com/gaussian_beams.html

También hay una explicación mecánica cuántica. La explicación mecánica cuántica más simple invoca el Principio de Incertidumbre.

Imagine un haz con una amplitud uniforme a lo largo de la sección transversal. El haz consiste en fotones. Los fotones pasan a través de una apertura circular, que limita la sección transversal del haz a un límite Δ X . Porque Δ X Δ pag ≥ ℏ , el fotón debe tener un momento distinto de cero en la dirección perpendicular al haz. El haz no puede estar perfectamente colimado.

En la práctica, la solución a las ecuaciones de Maxwell tiene una sección transversal gaussiana. Las aberturas se eligen cuidadosamente lo suficientemente grandes como para no distorsionar significativamente el haz al truncar el borde. Aunque no está confinada físicamente, la sección transversal de la viga está confinada debido al perfil gaussiano. El haz no puede estar perfectamente colimado debido al Principio de Incertidumbre.

Esto es suficiente para decirle que un haz de pequeño diámetro tendrá una gran divergencia. Si enfoca un rayo en un punto pequeño, tendrá una cintura muy pequeña. Por lo tanto, debe tener un gran ángulo de divergencia.

ingrese la descripción de la imagen aquí

La imagen es de optique-ingenieur.

Una mejor explicación mecánica cuántica muestra que la explicación clásica es la misma cosa disfrazada. Ver ¿Interesante relación entre la difracción y el principio de incertidumbre de Heisenberg?

Un fotón tiene una función de onda que es una solución de la ecuación de Schrödinger. Al igual que las ecuaciones de Maxwell, esta es una ecuación de onda. Un fotón en una cavidad tiene las mismas condiciones de contorno que la onda electromagnética en la misma cavidad. La función de onda del fotón también es una función radialmente simétrica con frentes de onda esféricos y un perfil gaussiano.

La función de onda está en la base de posición. Tomas la Transformada de Fourier para convertir a la base de impulso. La transformada de Fourier de la sección transversal gaussiana es una sección transversal gaussiana. El momento transversal de la viga es una superposición de estados de momento distintos de cero. El haz no puede estar perfectamente colimado. Tiene la misma divergencia que la onda electromagnética.

Gracias por la respuesta. Pero, ¿cómo responde esto a mi pregunta sobre la difracción que causa la divergencia del haz? Esto no me queda claro. La única vez que veo que se usa la palabra 'difracción' es cuando se vincula a la otra pregunta sobre el principio de incertidumbre de Heisenberg.
Buen punto. En términos generales, la difracción es la diferencia entre la óptica de rayos y las descripciones de onda de la luz. La difracción es la desviación de la luz causada por su naturaleza ondulatoria. Entonces, si incluye la difracción en su descripción de cómo se propaga la luz al elegir una descripción de onda, obtiene la divergencia del haz.
Históricamente, el diseño de lentes se realizaba mediante trazado de rayos. El objetivo es acercarse lo más posible a la lente perfecta minimizando las aberraciones de la lente. Las superficies esféricas no tienen la forma ideal, pero son mucho más fáciles de fabricar. No dirigen los rayos exactamente donde quieres. Pero puede elegir radios y separaciones entre elementos para minimizar las aberraciones. Si haces un muy buen trabajo, obtienes una lente tan buena que el mayor error es la difracción. Una lente de este tipo está limitada por difracción. La difracción no se predice mediante el trazado de rayos, pero es fácil de calcular a partir del tamaño de las aberturas de las lentes.
Su respuesta es interesante e informativa, pero todo esto gira en torno a mi pregunta. Está repitiendo que la difracción causa la divergencia del haz, lo cual entiendo, pero aquí no hay una explicación de cómo lo hace y por qué un haz siempre diverge debido a la difracción. El objetivo de mi pregunta era obtener una respuesta directa y clara a esto.
La difracción no es exactamente la causa de la divergencia del haz. El Principio de Incertidumbre, o mecánica cuántica, es la causa de la divergencia del haz y de la difracción. Ese es el Principio de Incertidumbre que es la causa de que la luz no viaje en línea recta como lo predice el trazado de rayos.
Con respecto a que la divergencia se debe al HUP, eso parece estar de acuerdo con lo que leí aquí physics.stackexchange.com/a/79469/141502 . Sin embargo, esta respuesta de physics.stackexchange.com/a/114300/141502 dice "estrictamente hablando, la física de la difracción no puede explicarse como HUP (es decir, como derivada de las relaciones de conmutación canónicas) porque no hay una posición observable X ^ para el fotón, así que no puedes pensar en Δ X Δ pag ." Esto parece estar en desacuerdo con lo que dijiste acerca de que el HUP es la causa tanto de la divergencia como de la difracción, ¿no?
Ok, el comentario de Andrew Steane a su respuesta aquí physics.stackexchange.com/a/626372/141502 establece que el HUP se deriva de la difracción, así que creo que eso lo aclara.
La gente piensa de diferentes maneras. Esto hace que hablen de diferentes maneras. Un físico piensa en el comportamiento de la luz. La física clásica se puede aplicar en muchos casos, por lo que piensa en las ecuaciones de Maxwell y los campos eléctricos. Si la forma en que la luz interactúa con los átomos individuales es importante, piensa en los fotones y la mecánica cuántica. Esto lleva a dos formas completamente diferentes de hablar sobre la luz. Dirían que las propiedades de onda o el Principio de Incertidumbre hacen que la luz se doble, lo que significa que causan difracción.
Un diseñador de lentes piensa en rayos, superficies de lentes y aberraciones. Piensa en por qué los rayos no se encuentran todos en un punto. Esta aberración hace que los rayos se enfoquen en un círculo de este tamaño. Esa aberración le agrega mucho. Trabaja durante un tiempo y consigue que las aberraciones sean pequeñas. La luz aún no enfoca perfectamente. Él dice que la difracción hace que la luz se doble. Para él, la difracción es solo otra aberración que impide que la luz se enfoque perfectamente. Esta es una manera razonable para que él piense para sus propósitos.
Hay muchos ejemplos de personas que piensan de diferentes maneras. De pie a un lado de la carretera, veo pasar un coche. El conductor piensa que el auto está parado. El asiento está justo debajo de él. Un tiempo después, todavía está justo debajo de él. El mundo se mueve a su alrededor. Pisa el acelerador y el mundo se acelera. Puedes hacer física correcta desde este punto de vista. Las fuerzas ficticias fueron inventadas para este propósito. Puede ser confuso, incluso cuando es correcto.
El físico puede explicar por qué la luz se desvía. El diseñador de lentes tendría dificultades para describir exactamente lo que significa decir que la difracción hace que la luz se doble. Es un poco al revés.
Los físicos son cuidadosos con estas cosas cuando es necesario. Les importan las medidas y cómo se comporta el mundo. A veces pueden ser descuidados y aun así tener una descripción precisa. Es mucho más probable que los matemáticos sean rigurosos con la corrección en los detalles quisquillosos. Se ocupan de ideas puras. Su única forma de demostrar que una idea es correcta es la prueba. Las pruebas deben ser herméticas porque una idea falsa puede usarse para probar otras ideas falsas.
"La cavidad óptica de un láser debe tener espejos curvos para ser estable..." , esto no significa que los láseres siempre tengan resonadores estables. Los inestables tienen algunas propiedades útiles y también se usan en láseres. Aún así, la divergencia difractiva sigue siendo una cosa allí, ya que la apertura es finita de todos modos.

Responderé a esto solo en términos de difracción, ya que ese es el límite fundamental de la divergencia del rayo láser. La difracción es la dispersión del haz debido al ancho finito del haz. Es un fundamental de la física. Incluso el principio de incertidumbre es un aspecto de la misma cosa. Es decir, cuanto más limitas la ubicación de una partícula, menos sabes sobre su dirección. En cierto modo, todo esto se reduce a la mecánica ondulatoria.

Considere que cada punto en una onda se propaga de manera circular desde ese punto (como una onda de agua desde donde una piedra cae al agua). Si un punto próximo a ese punto también se propaga con la misma fase (los picos y los valles oscilan juntos), las dos ondas circulares se sumarán para dar una onda compuesta. A medida que aumenta la línea de "emisores", la onda comienza a parecerse a una onda plana, pero los bordes aún se propagarán hacia afuera. A medida que el "haz" de la onda se hace más y más ancho desde los emisores, el efecto neto es que la propagación es cada vez menor. No importa si se trata de una onda de luz de un láser, una onda de agua o una rendija en un experimento cuántico, el resultado es el mismo.

Entonces, podemos decir que un rayo láser diverge debido a la física fundamental y la naturaleza de la superposición espacial de los fotones emitidos coherentemente por un láser.

Aquí hay algunos recursos donde puede leer más:

https://www.gentec-eo.com/blog/laser-beam-divergence-measurement#:~:text=Simply%20put%2C%20it%20tells%20you,beam%20on%20an%20infinite%20distance .

https://qr.ae/pG8mU9

Ah, y lea la respuesta a una pregunta similar sobre el intercambio de pilas de física: physics.stackexchange.com/a/79469/290525

No soy un experto en este tema en particular. Podría estar equivocado.

Que yo sepa, todas las ondas electromagnéticas se difractan. Dado que el láser es una luz monocromática altamente coherente creada a partir de la emisión estimulada, las longitudes de onda son todas iguales y los valles se superponen con los valles y las crestas con las crestas. Esto significa que seguiría un camino perfecto de difracción a través de un espacio sin que las propias ondas se cancelen entre sí.

La fuente del rayo láser siempre tiene dimensiones finitas, por lo que no puede proporcionar un rayo verdaderamente paralelo. El rayo láser es ligeramente divergente por su origen.

¿Cómo causa la difracción la divergencia del rayo láser y por qué un rayo láser siempre diverge debido a la difracción?
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