Warum kann inkohärentes Licht nicht so gut kollimiert werden wie Laserlicht (z. B. in einem Laserpointer)?

Halbleiterlichtemitter werden aus solchen Materialien hergestellt, die einen ziemlich großen Brechungsindex haben . Dies erschwert es dem Licht, den Emitter zu verlassen – aufgrund der Fresnel-Gleichungen und des niedrigen Brechungsindex der Luft.

In einem Laser geht das Licht meistens zwischen zwei Spiegeln hin und her, und Reflexionen helfen nur beim Lasern. Das Licht tritt also entweder aus einem winzigen Bereich an der Seite eines Lasers aus oder wird zurückreflektiert und setzt den Laserzyklus fort.

Bei einer LED hingegen ist das Licht inkohärent und wird in alle Richtungen abgestrahlt. Nur einige der erzeugten Photonen gehen in einem kleinen Winkel zur Normalen der Kristalloberfläche, um effizient nach außen übertragen zu werden. Die meisten anderen werden zurückreflektiert und werden wahrscheinlich schließlich wieder absorbiert, was zu nichts als der Erzeugung von Wärme führt.

Um dies zu umgehen, werden LED-Kristalle im Allgemeinen in eine Linse gepackt, die als Puffer zwischen dem Brechungsindex des Kristalls und der Luft dient. Das macht das komplette Gerät aber auch zu einer viel größeren Lichtquelle, sodass die Kollimation des erzeugten Lichts erheblich schwieriger ist.

Die Laser hingegen werden direkt als blanke Kristalle hinter der Kollimationslinse verwendet, sodass sie wie punktförmige Lichtquellen aussehen, die leicht kollimiert werden können.

Das Licht eines typischen Lasers tritt in einem extrem dünnen Strahl mit sehr geringer Divergenz aus. Eine andere Art, dies auszudrücken, ist, dass der Strahl stark "kollimiert" ist. Ein gewöhnlicher Helium-Neon-Laborlaser kann durch den Raum geschwenkt werden, und der rote Fleck an der Rückwand scheint ungefähr so ​​​​groß zu sein wie an einer nahe gelegenen Wand.

Der hohe Grad an Kollimation ergibt sich aus der Tatsache, dass der Resonator des Lasers nahezu parallele Vorder- und Rückspiegel aufweist, die den endgültigen Laserstrahl auf einen Pfad beschränken, der senkrecht zu diesen Spiegeln ist. Der hintere Spiegel ist fast perfekt reflektierend, während der vordere Spiegel zu etwa 99 % reflektiert und etwa 1 % des Strahls durchlässt. Dieses 1 % ist der Ausgangsstrahl, den Sie sehen. Aber das Licht ist viele Male zwischen den Spiegeln hin und her gegangen, um durch die stimulierte Emission von mehr Photonen bei derselben Wellenlänge an Intensität zu gewinnen. Wenn das Licht auch nur das kleinste bisschen von der Achse abweicht, geht es aus dem Strahl verloren.

Kursiv von mir.

Laserlicht ist also nicht nur kohärent, sondern auch stark kollimiert. Sehen Sie sich das Lunar Ranger-Experiment an

Das laufende Lunar Laser Ranging Experiment misst die Entfernung zwischen Erde und Mond mit Hilfe von Laserentfernungsmessungen. Laser auf der Erde zielen auf Retroreflektoren, die während des Apollo-Programms (11, 14 und 15) und der Mission Lunakhod 2 auf dem Mond platziert wurden. Die Zeit für die Rückkehr des reflektierten Lichts wird gemessen.

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Auf der Mondoberfläche ist der Strahl etwa 6,5 ​​Kilometer breit, und Wissenschaftler vergleichen die Aufgabe, den Strahl auszurichten, damit, mit einem Gewehr einen sich bewegenden Zehner in 3 Kilometer Entfernung zu treffen. Das reflektierte Licht ist zu schwach, um mit dem menschlichen Auge gesehen zu werden: Von 10^17 Photonen, die auf den Reflektor gerichtet sind, wird selbst unter guten Bedingungen alle paar Sekunden nur eines auf der Erde zurückkommen. Sie können als vom Laser stammend identifiziert werden, da der Laser stark monochromatisch ist.

Die hochkollimierten Laserstrahlen haben viel mehr Anwendungen als nur Zeiger.

Edit nach Kommentar:

Eine LED hat typischerweise eine Leistung im Milliwattbereich, die in 4pi verteilt ist, wobei die Intensität um 1/r^2 abfällt. Bei einem Zeigerlaser mit gleicher Leistung sind alle Watt durch die anfängliche Erzeugung von Photonen im Strahl konzentriert.

Man kann kohärentes Licht von einer inkohärenten Quelle erhalten, indem man es durch einen Schlitz leitet, dies würde den winzigen 1 / r ^ 2-Bruchteil der Leistung ergeben, der unter Verwendung der Lasergeometrie kollimiert werden müsste. Der Laser verliert im Kollimationsprozess nicht an Intensität, sondern gewinnt durch die Laserwirkung an Intensität.

das Licht ist viele Male zwischen den Spiegeln hin und her gegangen, um durch die stimulierte Emission weiterer Photonen an Intensität zu gewinnen

Die LED hat einen einmaligen Beitrag zum Strahl, und der Endpunkt hätte am Punkt eine um Größenordnungen geringere Intensität als die Laseraktion mit konzentrierter Intensität liefert.