Macht das Einsetzen einer Blende in einen Laserstrahl den kleinsten Punkt, auf den er fokussiert werden kann, größer oder kleiner?

Wenn Sie eine Öffnung in einen Laserstrahl setzen, um einen Teil davon zu blockieren, würde ich mir vorstellen, dass der Punkt, auf den er fokussiert werden kann, aufgrund der Beugung größer wird. Die numerische Apertur des Systems ist durch dieses Abschneiden des Strahls begrenzt. Bei einer normalen Laserfokussierung ohne Apertur bestimmt der Strahldurchmesser die numerische Apertur, nicht der Linsendurchmesser.

Aber wenn die Blende zu einer winzigen Lochblende wird, dann ist es dasselbe wie eine Punktquelle, die Licht aussendet. Und die Gleichung, wie gut dieser Punkt aufgelöst werden kann, wird durch die luftige Scheibe unter Verwendung der Öffnungsgröße des Linsendurchmessers definiert.

Wenn also die Blende verkleinert wird, beschreiben die beiden Beziehungen unterschiedliche Dinge? Beschreibt beispielsweise die mit der Öffnung des Laserstrahls verbundene NA, wie klein ein Gaußscher Fleck gebildet werden kann, und beschreibt die mit der Linse selbst verbundene NA die Größe der luftigen Scheibe, die das gesamte durch die Öffnung kommende Licht haben kann verdichtet?

Ich denke, im Grunde ist es nur verwirrend, weil normalerweise impliziert wird, dass ein kohärenter Strahl nur eine NA hat, die sich auf den Strahldurchmesser bezieht, aber nach dem Passieren einer Blende beugt er, sodass der gesamte Durchmesser der Linse für das Aufnehmen und Fokussieren der höheren Beugungsordnungen relevant ist .

Oder ist mein Verständnis vielleicht total durcheinander?

Antworten (4)

Abgesehen von Aberrationen wird die Punktgröße, die von einem Laserstrahl gebildet werden kann, der durch ein Linsensystem geht, durch die letzte Blende bestimmt, die den Strahl begrenzt. Beachten Sie, dass eine Öffnung, die breiter als der Strahl ist, den Strahl nicht einschränkt - daher ist es notwendig, stromaufwärts nach der "letzten" Öffnung zu suchen, um den Strahl einzuschränken.

Was ist, wenn ich ein Bild des Strahls erstellen möchte, anstatt ihn zu fokussieren? Es scheint auch kontraintuitiv zu sein, dass die einschränkende Blende den Strahl steuert, da alle Punkte auf der Wellenfront in einer Halbkugel gebeugt werden, sodass die Linsengröße eine Rolle spielen sollte, um mehr Beugungsordnungen von der Blende selbst zu erfassen. (Photolithographie tut dies)
Wenn der Strahl, wie er vom Laser emittiert wird, kollimiert wird, dann ist er effektiv eine Punktquelle im Unendlichen, die durch eine effektive Apertur geht, die der Breite des Strahls entspricht. Sie können sich ein Bild dieser effektiven Blende machen. Der einfachste Weg, die Beugungsoptik zu verstehen, ist meiner Meinung nach, Mathematik zu lernen.
Ich verstehe die Mathematik hinter der Bildung einer luftigen Scheibe, aber ich nehme an, ich muss die Mathematik lernen, um die Energieverteilung in der Wellenfront zu verstehen, während sie sich entwickelt. Ist dieses Bild, das ich gezeichnet habe, jedoch korrekt? imgur.com/a/yjoxOKE Wenn ja, kann ich verstehen, warum ein Kondensor in einem Mikroskop verwendet wird, um eine passende NA für das Objektiv bereitzustellen - aber eine andere Frage wäre, wie sich die Leistungsverteilung in der Wellenfront zwischen Fokussierung und Bilderzeugung ändert? Wenn Sie mir einen Tipp geben könnten, bevor ich diese Mathematik lerne, wäre das großartig!
Das Bild, das Sie gezeichnet haben, ist nicht korrekt. Wenn Sie die drei Strahlen vom oberen Rand der Blende "A" verfolgen, sollten sie irgendwo auf der rechten Seite der Linse zu einem Fokus kommen. Stattdessen haben Sie die beiden oberen Strahlen parallel nach der Linse gezeichnet. Gleicher Fehler am unteren Rand der Blende.
Doh! Danke für den Fang. Ich habe es behoben imgur.com/rb9zDXz Aber die Schlussfolgerung ist richtig?
Das grüne Rechteck rechts neben der Linse, das Sie als "Bild aus Strahl" bezeichnet haben, ist eigentlich ein Bild der Blende A. Ansonsten sieht es für mich korrekt aus, einschließlich dessen, was Sie rechts gezeichnet und geschrieben haben Tafel.
Danke! Das macht für mich jetzt viel mehr Sinn.

Bei einem gut korrigierten Objektiv mit geringer Aberration erhöht das Setzen einer Blende die Größe des fokussierten Flecks. Die Grundformel für den Durchmesser des ersten dunklen Rings lautet (aus Smith, Modern Optical Engineering, Seite 453)

B = ( 2.44 λ F ) D
wobei B der Durchmesser des dunklen Rings ist, λ ist die Wellenlänge, F ist die Brennweite, und D ist der Öffnungsdurchmesser. Wenn Sie eine Blende setzen, die D verringert, vergrößern Sie den Durchmesser des dunklen Rings. Bei Gaußschen Strahlen sind die Formeln anders, aber der Effekt ist derselbe: Das Anbringen einer Blende an etwas bewirkt, dass das Licht stärker gebeugt wird, und das breitet das Licht in der Brennebene aus.

Der einzige praktische Haftungsausschluss ist: Wenn das Objektiv nicht gut korrigiert ist, aber erhebliche Aberrationen aufweist, kann das Verringern der Blende tatsächlich die Spotgröße verringern. Der Grund dafür ist, dass Licht, das durch den Rand der Linse fällt und Aberrationen bildet, die die Punktgröße erhöhen, jetzt durch die kleinere Blende blockiert wird. Der resultierende Punkt kann eine geringere Gesamtleistung, aber auch eine geringere Punktgröße haben. Um zu wissen, ob dies wahr ist, müssen Sie die Details des Objektivs kennen.

„Verringern“ in „Erhöhen“ geändert, in Satz 1, per PhysicsDave. Muss sie gerade halten!

Ich würde es so betrachten. Aperture bereinigt den Modus des Lichts. Vorausgesetzt, die Lichtintensität ist über der Blende gleichmäßig, kann ich das Problem nicht erkennen, wenn man eine Tubuslinse und ein Objektiv dahinter setzt und es auf den beugungsbegrenzten Punkt fokussiert.

Grundsätzlich ist Ihr Argument, dass wir mit der numerischen Apertur des Lichtstrahls herumspielen und die Menge der uns zur Verfügung stehenden k-Vektoren begrenzen. Ich würde sagen, dass eine Mikroskopanordnung die Energie zwischen verschiedenen k-Vektoren (natürlich mit derselben Frequenz) effektiv verschieben kann, also spielt es wirklich keine Rolle. Was jedoch wichtig ist, ist, wie sauber Ihr Modus ist, da ungerade Modi dazu neigen, mehr Platz zu beanspruchen (können nicht auf so kleine Punkte fokussiert werden).

Nach meiner Lektüre der Gaußschen Optik führt das Abschneiden des Strahls bis zur Grenze zu einer endgültigen Punktgröße, die von der numerischen Apertur der Abschneideapertur und nicht von der Linse abhängt - selbst bei Öffnungsverhältnissen, bei denen die Apertur effektiv gleichmäßig beleuchtet würde. Seite 9: cvilaseroptics.com/file/general/… d = K*Wellenlänge * Brennweite / Öffnungsdurchmesser (der Strahlblende)
Ich glaube, wir gehen hier von unterschiedlichen Dingen aus. Sie scheinen von einer einzelnen Kürzung zu sprechen, gefolgt von der Linse. Ich habe über das folgende Problem gesprochen: Wird ein Strahl (von unbekannter Qualität) durch das Loch geführt, gefolgt von einer willkürlichen Anordnung von Linsen, können Sie das Licht auf einen kleineren Punkt fokussieren. Die Antwort auf meine Frage lautet „ja“. Sie schneiden Ihren Strahl ab, bündeln ihn neu (siehe „Räumliche Filterung“ auf Seite 10 Ihres Dokuments), führen ihn dann durch einen Strahlaufweiter und fokussieren ihn dann.
...Sie fokussieren es mit dem Objektiv. Nun führt dies zu einem kleineren Brennfleck, da (a) der aufgeweitete Strahl einen großen Anteil der rückwärtigen Objektivblende beleuchten wird, (b) die räumliche Filterung, die durch die Lochblende bereitgestellt wird, den Gehalt an Moden höherer Ordnung in dem reduziert Strahl, wobei nur der Grundmodus übrig bleibt, der leichter zu fokussieren ist.

Wenn Sie einen perfekten Laser hätten (was unmöglich ist), sind alle Strahlen parallel und mit einer asphärischen Linse ist der Punkt sehr klein, begrenzt durch die Airy-Scheibe der Linse. Das Hinzufügen einer beliebigen Blende erhöht die Beugung an der Blende, wodurch die Punktgröße zunimmt, da die Strahlen nicht mehr parallel sind, es gibt keinen perfekten Fokus mehr. Die Öffnung der Linse, normalerweise viel größer als eine Öffnung im Strahl, hat keinen so großen Effekt. Dh seine Wirkung ist viel geringer als die Strahlapertur.

Aber wird der Strahl an der Grenze einer infinitesimal kleinen Öffnung für den Strahl nicht einfach zu einer punktförmigen Lichtquelle? (Der Strahl wird zu einer einzelnen Punktlichtquelle, die sich nur durch Beugung ausbreitet.) Eine Punktlichtquelle wird durch die Öffnung der Linse bestimmt, wenn man bedenkt, auf wie kleinen Fleck sie fokussiert werden kann.
Sie können mit der Blende eine Punktlichtquelle erstellen, aber dabei verursachen Sie eine erhebliche (fast unendliche) Beugung, sodass die Punktquelle in alle Richtungen strahlt. Wenn Sie versuchen, dies zu fokussieren (zuallererst haben Sie viel Licht verloren, es sei denn, Ihr Objektiv ist riesig), ist das Beste, was Sie ausgeben können, ein Strahl mit allen Strahlen parallel, sozusagen das Gegenteil von dem, womit Sie begonnen haben. Es gibt ein wichtiges Optikkonzept namens Entendue, im Grunde besagt es, dass Winkel mal Fläche erhalten bleibt, wenn Sie durch jede Blende oder Linse oder andere Optik gehen.
Ein Teil der Verwirrung hier (zumindest für mich) besteht darin, ein Objektiv zu verwenden, um Licht auf einen Punkt zu fokussieren, oder das Objektiv zu verwenden, um zu fokussieren, wie beim Erstellen eines Bildes.
Das Ändern einer Punktquelle in parallele Strahlen gilt nur, wenn sich die Punktquelle in der vorderen Brennebene befindet. Andernfalls wird es zu einem Bild neu fokussiert (wenn der Punkt außerhalb der Brennebene liegt). Das Fokussieren von Licht auf einen Punkt im Vergleich zum Bilden eines Bildes verwirrt mich wirklich. Empirisch ist es möglich, Licht, das durch sehr kleine Öffnungen fällt, zu verkleinern und auf eine Ebene zu projizieren, denn so funktionieren Photolithographiesysteme. Ihre Auflösung wird nicht durch die NA der Maskenöffnung begrenzt, sondern durch die NA der Linse und wie viel des gebeugten Lichts sie einfangen kann. Gedanken?
Für Litho wäre es sinnvoll, die winzige Blende wird verwendet, um eine maximale Beugung zu erhalten, dh um eine gleichmäßige Streuung zu erhalten, aber bei vielen Winkeln gilt: je mehr Winkelbereich, desto größer der Bereich, der beleuchtet werden kann. Da für das Muster eine Maske verwendet wird, sind parallele Strahlen erwünscht, aber jetzt führt die Linse ihre Beugung ein (ebenso wie die Maske), und dies würde die Auflösung einschränken. (Die Größe des Anfangsflecks ist auch ein Faktor ... und die Wellenlänge des verwendeten Lichts).
Macht das Einsetzen einer Blende in einen Laserstrahl den kleinsten Punkt, auf den er fokussiert werden kann, größer oder kleiner?
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