¿Por qué la luz incoherente no se puede colimar tan bien como la luz láser (por ejemplo, en un puntero láser)?

¿Por qué un puntero láser contiene un diodo láser y no solo un LED?

Un puntero láser contiene un diodo láser, que esencialmente emite luz coherente en un ángulo grande, y una lente colimadora, para tomar esa luz y enfocarla en un haz.

Si la lente colimadora funciona para fotones coherentes provenientes de un diodo láser, ¿por qué no funcionaría para fotones no coherentes provenientes de un LED? Según tengo entendido, los fotones no interactúan entre sí, por lo que no debería importarme si otros fotones cercanos están en fase con ellos o no.

Si bien puede colimar un LED, el hecho es que debido a que el LED tiene una dispersión angular mucho (mucho) más grande que un láser, simplemente no puede colimarlo tan bien. Entonces, tal vez pueda bajar un LED a unos pocos grados, pero el láser estará en décimas de grado. Eso significa que el láser puede atravesar una habitación (grande) y aun así hacer un pequeño punto en la pantalla.
Este es un caso en el que la comprensión es mucho más difícil de obtener usando una imagen de partículas de luz que en la imagen de ondas.
@dmckee: Tal vez podríamos optar por la versión NRA: un LED es como una escopeta, un láser es como un rifle de francotirador... :-)
Todos están respondiendo la pregunta general en el título pero ignorando la pregunta real, que es "Si la lente colimadora funciona para fotones coherentes provenientes de un diodo láser, ¿por qué no funcionaría para fotones no coherentes provenientes de un LED?" Creo que una respuesta a esta pregunta necesita explicar algunas ópticas de ondas. Además, OP debe cambiar el título para que sea más específico, como se recomienda en nuestras preguntas frecuentes sobre cómo escribir títulos .
@DanielSank: aclaré el título.
@Rocketmagnet Genial, pero eso todavía no es tan preciso como lo que realmente estás preguntando. Quiere saber por qué la luz láser puede estar más colimada que la luz normal. ¿Por qué no decir eso en el título?

Respuestas (2)

Los emisores de luz semiconductores están hechos de dichos materiales, que tienen un índice de refracción bastante grande . Esto dificulta que la luz salga del emisor, debido a las ecuaciones de Fresnel y al bajo índice de refracción del aire.

En un láser, la luz va y viene principalmente entre dos espejos, y los reflejos solo ayudan al láser. Entonces, la luz sale de un área diminuta en el costado de un láser o se refleja y continúa el ciclo de emisión.

En un LED, por otro lado, la luz es incoherente y se emite en todas las direcciones. Solo algunos de los fotones generados van en un ángulo bajo con respecto a la normal de la superficie del cristal para ser transmitidos eficientemente al exterior. La mayoría de los demás se reflejan y es probable que eventualmente sean absorbidos, lo que genera nada más que generación de calor.

Para eludir esto, los cristales LED generalmente se empaquetan en una lente, que actúa como un amortiguador entre el índice de refracción del cristal y el aire. Pero esto también hace que el dispositivo completo sea una fuente de luz mucho más grande, por lo que la colimación de la luz que produce es considerablemente más difícil.

Los láseres, por otro lado, se usan directamente como cristales desnudos detrás de la lente colimadora, por lo que se parecen mucho a las fuentes de luz puntuales, que se pueden colimar fácilmente.

También supongo que, además del sobrecalentamiento, la cavidad del LED con un pequeño orificio se comportaría como una fuente de cuerpo negro, lo que haría que no tuviera una frecuencia única como a menudo se desea de los láseres.
@CiroSantilliПутлерКапут六四事 no estoy seguro de lo que quieres decir. Un LED que no sea láser ni siquiera tiene una cavidad (al menos funcionalmente). Y si el cristal se sobrecalienta tanto como para emitir luz de cuerpo negro con frecuencias cercanas al espectro de su electroluminiscencia (cientos de terahercios), se degradará rápidamente y dejará de ser un diodo.
Por cavidad me refiero a tratar de agregar una caja (aislada) con un pequeño orificio largo en un intento de colimar la luz. Pero como dices, el LED dejaría de funcionar, no estaba seguro de eso. Supongo que solo un horno de cuerpo negro sin LED sería mejor para probar y comparar con fines educativos.

La luz de un láser típico emerge en un rayo extremadamente delgado con muy poca divergencia. Otra forma de decir esto es que el haz está altamente "colimado". Un láser de helio-neón ordinario de laboratorio se puede barrer alrededor de la habitación y la mancha roja en la pared trasera parece aproximadamente del mismo tamaño que en una pared cercana.

El alto grado de colimación surge del hecho de que la cavidad del láser tiene espejos delantero y trasero casi paralelos que restringen el rayo láser final a una trayectoria que es perpendicular a esos espejos. El espejo trasero refleja casi perfectamente, mientras que el espejo frontal refleja aproximadamente el 99%, dejando escapar aproximadamente el 1% del haz. Este 1% es el haz de salida que ves. Pero la luz ha pasado muchas veces de un lado a otro entre los espejos para ganar intensidad mediante la emisión estimulada de más fotones en la misma longitud de onda. Si la luz está un poco fuera del eje, se perderá del haz.

Las cursivas son mías.

Por lo tanto, la luz láser no solo es coherente sino que también está altamente colimada. Echa un vistazo al experimento del guardabosques lunar

El experimento de medición de distancia por láser lunar en curso mide la distancia entre la Tierra y la Luna utilizando la medición por láser. Los láseres en la Tierra están dirigidos a los retrorreflectores colocados en la Luna durante el programa Apolo (11, 14 y 15) y la misión Lunakhod 2. Se mide el tiempo de retorno de la luz reflejada.

 .....

En la superficie de la Luna, el haz tiene unos 6,5 kilómetros de ancho y los científicos comparan la tarea de apuntar el haz con usar un rifle para golpear una moneda de diez centavos en movimiento a 3 kilómetros de distancia. La luz reflejada es demasiado débil para ser vista por el ojo humano: de los 10^17 fotones dirigidos al reflector, solo uno será recibido en la Tierra cada pocos segundos, incluso en buenas condiciones. Se pueden identificar como originados por el láser porque el láser es altamente monocromático.

Los rayos láser altamente colimados tienen muchas más aplicaciones que simples punteros.

Editar después del comentario:

Un LED normalmente tiene una potencia de milivatios, que se dispersa en 4pi con una caída de intensidad de 1/r^2. Un láser puntero de la misma potencia tiene todos los vatios concentrados en el haz mediante la producción inicial de fotones.

Se puede obtener luz coherente de una fuente incoherente pasándola a través de una rendija, esto daría la pequeña fracción de potencia 1/r^2 para ser colimada usando la geometría del láser. El láser en el proceso de colimación no pierde intensidad, sino que gana, debido a la acción láser.

la luz ha pasado muchas veces de un lado a otro entre los espejos para ganar intensidad por la emisión estimulada de más fotones

El LED tiene una contribución única al rayo, y el punto final tendría órdenes de magnitud menos de intensidad en el punto que la acción del láser de intensidad concentrada.

No estoy seguro de que esto responda a la verdadera pregunta, por lo que la lente colimadora funciona mejor con luz coherente.
Gracias Anna, esta es una respuesta interesante, pero no veo cómo responde la pregunta. ¿Ocurre lo mismo con un diodo láser?
De hecho, en un puntero láser, la apertura del láser suele ser muy pequeña, por lo que el haz está lejos de estar altamente colimado. Esto es cierto tanto para DPSS como (aún más) para láseres de diodo puro utilizados en punteros láser.
@Rocketmagnet he editado
@Ruslan Creo que es pequeño porque está construido para ser pequeño, después de todo será un puntero. madehow.com/Volume-7/Laser-Pointer.html
Parece que no entiende lo que quiero decir: debido a la pequeña apertura, el láser en un puntero láser también tiene un haz muy divergente. No está colimado de ninguna manera, por eso la construcción incluye una lente colimadora. La diferencia con un LED es que, para un láser, la fuente de luz real es pequeña, casi como una fuente puntual, lo que hace que la colimación sea trivial.
@Ruslan y el hecho de que la potencia del láser se concentra en un haz paralelo en comparación con el LED, que es 4pi, ¿no juega ningún papel en hacer que el LED sea inútil para un puntero?
1. Hay focos LED que tienen un pequeño ángulo de divergencia (aunque sus lentes son un orden de magnitud más grandes). 2. El ángulo no es 4 π , es unas tres o cuatro veces más pequeño y casi lo mismo para un LED y un láser semiconductor emisor de bordes. Ver también ¿Por qué diverge un rayo láser? .
@Ruslan, ¿está diciendo que, digamos, un puntero láser de 1 mvatio y un LED de 1 mvatio pueden entregar la misma potencia en el punto de la pantalla?
Dado un sistema óptico de colimación lo suficientemente bueno (lo suficientemente grande, etc.), sí. El único problema es el tamaño de la fuente de luz. Bueno, esto es, por supuesto, a menos que desee un lugar con difracción limitada.
@Ruslan sí, pero aquí estamos hablando de un puntero de lápiz, y si tiene sentido usar un LED o un láser. Tengo que irme ahora, así que miraré esto después de hacer mis tareas.
¿Por qué la luz incoherente no se puede colimar tan bien como la luz láser (por ejemplo, en un puntero láser)?
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