Láseres y Colimación

Si los láseres están colimados, ¿qué hace que se decoliman? Su sistema de producción parece sugerir una fuente de luz colimada completamente lineal, pero se extienden a grandes distancias. Lo mismo vale para los sincrotrones. ¿Por qué pasó esto?

Respuestas (3)

Existe un límite fundamental para la colimación de un láser debido a la difracción. Suponiendo que el perfil del rayo láser es un disco uniforme, se difractará en un disco de Airy a grandes distancias, y la dispersión angular viene dada aproximadamente por:

θ ≈ 1.22 λ d

dónde d es el diámetro del haz. Suponiendo un diámetro de 1 mm, que parece una estimación razonable para la mayoría de los láseres que he visto, se obtiene una divergencia angular de aproximadamente 0,6 milirradianes para una luz de 500 nm.

No sé casi nada sobre el diseño de los láseres, pero Wikipedia informa que la divergencia suele ser inferior a 1 milirradián , lo que se ajusta a la estimación anterior.

Si el haz es gaussiano, la constante será 1 π en lugar de la constante de Airy

Siguiendo la respuesta de John Rennie, leí el primer párrafo de Luz colimada en Wikipedia. Las últimas 3 líneas declararon que "A veces se dice que la luz colimada está enfocada en el infinito. Por lo tanto, a medida que aumenta la distancia desde una fuente puntual, los frentes de onda esféricos se vuelven más planos y más cercanos a las ondas planas, que están perfectamente colimadas".
¿Significa que para una fuente de luz con suficiente potencia tendremos una luz perfectamente colimada después de una cierta distancia lejos de la fuente cuando ya ha pasado su fase divergente debido a los frentes de onda esféricos? Entonces, después de cierta distancia, tenemos frentes de onda planos perfectamente paralelos y el haz ya no será divergente.

Los láseres no están perfectamente colimados.

De hecho, según un análogo del Principio de Incertidumbre de Heisenberg, es fundamentalmente imposible crear un haz de luz perfectamente colimado a partir de una fuente de tamaño finito.

¿Por qué? Si la luz viaja en la dirección z y está perfectamente colimada, entonces el momento del fotón en la dirección x e y es exactamente cero. Lo que significa que la posición del fotón en la dirección x e y es completamente desconocida. Nuevamente, solo una onda con una sección transversal infinitamente ancha puede colimarse exactamente.

Un rayo láser nunca es muy grande, y ciertamente no infinitamente grande. El tamaño del rayo láser depende del área activa del láser (el área que produce la luz láser) y también depende de las lentes que coloque después del láser. Por ejemplo, un puntero láser puede tener su luz en un punto circular de 1 mm (antes de que se extienda). Como regla general, puede dividir la longitud de onda de la luz láser por 1 mm. Obtienes un número muy pequeño, pero no es cero. Ese número es más o menos el ángulo de divergencia más pequeño posible (en radianes) que puede tener este rayo.

Aunque depende de la aplicación, las personas que fabrican láseres generalmente intentan que emitan algo parecido a un haz gaussiano , que es más o menos lo más colimado posible dado el tamaño finito del haz. Si lee sobre haces gaussianos, verá la compensación muy directamente entre el área de la sección transversal del haz y su ángulo de divergencia.

Bueno, es imposible incluso poner el 100 % de la energía en un rayo gaussiano perfecto (una vez más porque el láser tiene un tamaño finito), pero puedes acercarte al 100 %. Consulte M 2 y el producto de parámetros de haz para ver cómo se caracterizan estas cosas.

Este es el punto de vista de las partículas, las fotos se describen mejor como ondas para este caso y la mayoría de los demás. Un láser se puede colimar perfectamente en una sola posición z. Y no es "imposible incluso poner el 100% de la energía en un rayo gaussiano perfecto".
@LukeBurgess: tiene una definición divertida de "colimado" si una onda se puede "colimar en una sola posición z". El objetivo de colimar un haz es que se supone que debe permanecer colimado mientras viaja, hasta que golpea la siguiente lente. Un haz de tamaño finito nunca se puede colimar perfectamente . Puedes probarlo pensando en los fotones, o trabajando con las ecuaciones de Maxwell, o pensando en el principio de Huygens, o pensando en la difracción, o pensando en las transformadas de Fourier y las descomposiciones de ondas planas. (En realidad, todos estos equivalen a lo mismo).
@LukeBurgess: a medida que te alejas del centro de un haz gaussiano, la intensidad se reduce exponencialmente, pero nunca llega a cero en una distancia finita. Por lo tanto, una fuente o cavidad de tamaño finito NO PUEDE coincidir al 100 % con un haz gaussiano. Tal vez puedas encontrar una fuente que ponga el 99,99 % de la energía en un haz gaussiano perfecto, pero no el 100 %.
Si alguna porción del haz no es Gaussiana, se puede decir que tal porción no es parte del haz. Esta parte se debe a la interferencia con otras formas de onda. Leer arxiv.org/pdf/1308.1326.pdf
Escribí "es imposible poner el 100% de la energía [óptica de un láser] en un rayo gaussiano perfecto". Obviamente, esto es cierto porque los láseres tienen un tamaño lateral finito, mientras que los rayos gaussianos no. ¿Estás realmente argumentando que esta afirmación no es cierta? Su comentario anterior ("... no es parte del haz") suena como "el 100% de la energía entra en el haz gaussiano, si ignora la energía que no entra en el haz gaussiano". ¿De verdad estás discutiendo algo tan tonto? Si no, no te entiendo. El documento al que se vinculó hace referencia a un acoplamiento eficiente de ~ 99.3%, que redondearon al 100%.
Si estaba hablando del dispositivo y no del haz en la respuesta, ¿qué está tratando de decir? Sí, los dispositivos "láseres" no son 100% eficientes y los rayos se dispersan debido a las partículas de aire. Pero dijiste que "es fundamentalmente imposible crear un haz de luz perfectamente colimado". Si agrega calificadores como "mantener", "mantener", "en todo el espacio" o "indefinidamente", entonces estoy bien. Pero tal como está, la declaración es engañosa. Por cierto: espero que sepa que un haz gaussiano no es una onda plana, excepto en una sola posición a lo largo de su eje de viaje.
Espero que sepa que un haz gaussiano no es una onda plana en ninguna parte, punto. No es una onda plana en la cintura de la viga, no es una onda plana en ningún otro lugar. Tampoco está "colimado" en la cintura de la viga, ni en ningún otro lugar. Creo que estás confundido acerca de la definición de "onda plana" y "colimada".
Un frente de onda plano o frente de onda colimado es cualquier frente de onda con un radio de curvatura en el infinito.
"En la cintura, el frente de onda es un avión". optique-ingenieur.org/es/cursos/OPI_ang_M01_C03/co/…
"Onda plana" es un término técnico con una definición estándar que puede (y debe) buscar en cualquier libro de texto. Verá que la definición de "onda plana" no es lo que cree que es. (Claro, si miras a tu alrededor lo suficiente, puedes encontrar a alguien que haya usado mal el término "onda plana". Pero te prometo que el término "onda plana" es completamente estándar e inequívoco). Me alegra que aparentemente entiendas la física de propagación de la luz, pero NO conoce la terminología para hablar de ello, por ejemplo, las definiciones estándar de "onda plana" y "colimada".
¿Qué es esta definición más "inequívoca" que "un frente de onda con un radio de curvatura en el infinito"? "Un haz colimado tiene un radio de curvatura que se aproxima al infinito" de laser.physics.sunysb.edu/~ariana/tm
es mejor esto: "Como la fuente está en el infinito, las ondas que alcanzan el obstáculo son ondas planas. La curvatura del frente de onda es despreciable". PRINCIPIOS DE FÍSICA - Por PV NAIK
Necesita la definición correcta , no solo una definición inequívoca . Por ejemplo, si dice "'neutrón' es un término para cualquier partícula neutra", es una definición inequívoca , pero no es la definición correcta . :-P No se puede llamar a algo una "onda plana" a menos que tenga frentes de onda planos (tenga en cuenta el plural; un frente de onda plano no es suficiente) Y (relacionado con eso) tiene una intensidad constante en las direcciones laterales. La cita de Naik es consistente con eso. Nuevamente, puede buscarlo en cualquier libro de texto o preguntarle a cualquier experto qué significa "onda plana".
qué tal reemplazar "perfectamente colimado" con "una onda plana perfecta". Puedo estar de acuerdo con eso. La única vez que usé las palabras "onda plana" la terminé con "frente", para dejar en claro que no estaba diciendo en todo el espacio-tiempo. (Excepto el material citado). Si esto debe convertirse en una pregunta...
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