Question

Как фокусируется лазерный луч?

Расходимость лазерного луча даже в дешевых указках гораздо меньше, чем расходимость фонарик (светодиодного или с лампой накаливания). С чем это связано? Фокусируется ли луч какой-то особенной системой или излучение является направленным изначально?

Answer 1

Невозможность получить малую расходимость пучка от "обычных", нелазерных источников света вызвана тем, что любой такой источник на самом деле представляет собой множество независимо излучающих источников света - атомов и электронов. При фокусировке каждый создает собственное точечное (с учетом дифракции - диск Эри) действительное изображение в фокальной плоскости или собственный параллельный (с расходимостью, обусловленной только дифракцией) пучок. В сумме же мы имеем изображение светящегося тела, существенно превышающее в размерах диск Эри или заметно расходящийся пучок.

Лазерное же излучение генерируется ансамблем из множества синхронизированных­<wbr /> излучателей-атомов, формирующих единый волновой фронт, которому соответствует один точечный мнимый источник света. В реальных лазерах таких источников может быть несколько по числу типов колебаний (мод) в резонаторе. Но даже в этом случае эти источники в большинстве лазеров разнесены геометрически на очень малое расстояние (линейное или угловое), сравнимое с дифракционной расходимостью. Так, в типичном дешевом маломощном многомодовом лазерном диоде, какой можно встретить в лазерной указке, сумма поперечных мод формирует мнимый источник света в виде полоски шириной в десятые доли микрометра и длиной 1-3 микрометра, который обычной линзой превращается в пучок света, расходимость которого по одному направлению лишь немного больше теоретически возможной, а по другому -- в несколько раз ее превышает. Но это нельзя сравнить с тем, что можно получить на нелазерных источниках схожей интенсивности, у которых минимальные геометрические размеры -- это десятые доли миллиметра.

Пучок света с очень маленькой (близкой к теоретической) расходимости получить возможно. Для этого нужно направить свет на очень маленькое (около 0,5-2 мкм) отверстие -- так называемую искусственную звезду -- и с помощью линзы преобразовать сферическую волну по другую сторону этого отверстия в плоскую. Однако чтобы получить хотя бы "указочные" несколько милливатт мощности, нам придется осветить отверстие светом, интенсивность которого сравнима с яркостью ядерного взрыва.

Answer 2

Лучу все равно откуда он, от лазерного диода или от обычного сверхяркого светодиода. Потому они оба и фокусируются соответствующей линзой или набором линз.

Про

"расходимость луча фонарика сделана такой из за того что освещать один квадратный миллиметр не имеет смысла, ничего кроме яркой светящейся точки вы не увидите. Нафига такой фонарик? Если он не освещает определенную площадь. От лазерной указки же, наоборот, требуется именно точка. Потому и луч узкий лелается.

Answer 3

Это сама природа формирования лазерного излучения.

Это хоть и диод, но лазерный. Так что в нем есть оптический резонатор внутри которого и формируется стоячая волна, вызывающая рождение ЭМИ не только фиксированной частоты, но и фазы. Так что вырвавшийся из резонатора поток уже идеально (до уровня волнового предела конечно) параллелен.