Wie verursacht Beugung eine Laserstrahldivergenz, und warum wird ein Laserstrahl aufgrund von Beugung immer divergieren?

Der springende Punkt ist, dass ein Laserstrahl eine Welle ist, die sich nach dem Huygens-Prinzip ausbreitet . Sobald Sie diese Tatsache akzeptieren, folgt die Divergenz auf natürliche Weise.

Das Huygens-Prinzip besagt, dass die Ausbreitung auf die Erzeugung von Kugelwellen zurückzuführen ist, die im nächsten Ausbreitungsschritt Kugelwellen erzeugen werden. [Bild aus dem Wiki ]

Im Bild sehen wir, dass die Mitte des "Lochs" eine "flache" Welle erzeugt. Die Beugung ist nur an den Rändern erkennbar.

Um das Verhalten des "zentralen Teils" einer Wellenfront zu erfassen, verwenden wir eine Annäherung und lassen die Kanten bis zu einem gewissen Grad weg. Im oberen Bild könnten wir den zentralen Teil als ebene Welle beschreiben. Wenn wir stattdessen sphärische Spiegel verwenden, um eine sich ausbreitende Welle zu erzeugen, erhalten wir den Gaußschen Strahl

Die einfachste Beschreibung eines Laserstrahls verwendet Strahlenoptik. Oft ist es eine gute Annäherung. Darin ist Licht ein Strahl, der einer geraden Linie folgt. Gemäß dieser Beschreibung braucht es keine Abweichung zu geben. Diese Beschreibung ist zu einfach.

Eine bessere Beschreibung ist Licht wie eine Welle. Um den wahren Strahl zu erhalten, müssen Sie die klassischen Maxwell-Gleichungen mit einer Randbedingung lösen. Der optische Resonator eines Lasers muss gekrümmte Spiegel haben, um stabil zu sein. Die Wellenlösung für einen durch sphärische Spiegel begrenzten Hohlraum ist ein Gaußscher Strahl . Wellenfronten sind kugelförmig. "Strahlen" sind nicht ganz gerade, sondern folgen hyperbolischen Bahnen. Der Strahlquerschnitt ist gaußförmig. Die Intensität ist an der Strahlachse maximal und fällt von der Achse weg stetig ab.

Bild von https://www.rp-photonics.com/gaussian_beams.html

Es gibt auch eine quantenmechanische Erklärung. Die einfachste quantenmechanische Erklärung beruft sich auf das Unbestimmtheitsprinzip.

Stellen Sie sich einen Strahl mit einer gleichmäßigen Amplitude über den Querschnitt vor. Der Strahl besteht aus Photonen. Die Photonen passieren eine kreisförmige Blende, die den Strahlquerschnitt auf einen begrenzten begrenzt$\Delta x$. Weil$\Delta x \Delta p \ge \hbar$, muss das Photon senkrecht zum Strahl einen Impuls ungleich Null haben. Der Strahl kann nicht perfekt kollimiert werden.

In der Praxis hat die Lösung der Maxwell-Gleichungen einen Gaußschen Wirkungsquerschnitt. Öffnungen werden sorgfältig groß genug gewählt, um den Strahl nicht signifikant durch Abschneiden der Kante zu verzerren. Obwohl er nicht physikalisch begrenzt ist, ist der Strahlquerschnitt aufgrund des Gaußschen Profils begrenzt. Der Strahl kann aufgrund des Unsicherheitsprinzips nicht perfekt kollimiert werden.

Dies reicht aus, um Ihnen zu sagen, dass ein Strahl mit kleinem Durchmesser eine große Divergenz haben wird. Wenn Sie einen Strahl auf einen kleinen Punkt fokussieren, hat er eine sehr schmale Taille. Daher muss es einen großen Divergenzwinkel haben.

Das Bild stammt von Optik-Ingenieur

Eine bessere quantenmechanische Erklärung zeigt, dass die klassische Erklärung das Gleiche in Verkleidung ist. Siehe Interessante Beziehung zwischen Beugung und Heisenbergs Unschärferelation?

Ein Photon hat eine Wellenfunktion, die eine Lösung der Schrödinger-Gleichung ist. Wie die Maxwell-Gleichungen ist dies eine Wellengleichung. Ein Photon in einem Resonator hat dieselben Randbedingungen wie die elektromagnetische Welle in demselben Resonator. Die Wellenfunktion des Photons ist ebenfalls eine radialsymmetrische Funktion mit sphärischen Wellenfronten und einem Gaußschen Profil.

Die Wellenfunktion liegt in der Ortsbasis. Sie nehmen die Fourier-Transformation, um in die Impulsbasis umzuwandeln. Die Fourier-Transformation des Gaußschen Querschnitts ist ein Gaußscher Querschnitt. Der transversale Impuls des Balkens ist eine Überlagerung von Impulszuständen ungleich Null. Der Strahl kann nicht perfekt kollimiert werden. Sie hat die gleiche Divergenz wie die elektromagnetische Welle.

Ich werde dies nur in Bezug auf die Beugung beantworten, da dies die grundlegende Grenze der Laserstrahldivergenz ist. Beugung ist die Ausbreitung des Strahls aufgrund der endlichen Breite des Strahls. Es ist eine Grundlage der Physik. Sogar die Unschärferelation ist ein Aspekt derselben Sache. Das heißt, je mehr Sie den Ort eines Teilchens eingrenzen, desto weniger wissen Sie über seine Richtung. In gewisser Weise läuft das alles auf die Wellenmechanik hinaus.

Bedenken Sie, dass sich jeder Punkt in einer Welle kreisförmig von diesem Punkt aus ausbreitet (wie eine Wasserwelle, die von dem ausgeht, was ein Stein ins Wasser fällt). Wenn sich ein Punkt neben diesem Punkt ebenfalls mit der gleichen Phase ausbreitet (die Spitzen und Täler schwingen zusammen), addieren sich die beiden Kreiswellen zu einer zusammengesetzten Welle. Wenn die Linie der „Emitter“ zunimmt, beginnt die Welle wie eine ebene Welle auszusehen, aber die Kanten breiten sich immer noch nach außen aus. Da der „Strahl“ der Welle von den Emittern immer breiter wird, ist der Nettoeffekt, dass die Ausbreitung immer geringer wird. Egal, ob es sich um eine Lichtwelle eines Lasers, eine Wasserwelle oder einen Spalt in einem Quantenexperiment handelt, das Ergebnis ist das gleiche.

Wir können also sagen, dass ein Laserstrahl aufgrund der grundlegenden Physik und der Natur der räumlichen Überlagerung der kohärent emittierten Photonen von einem Laser divergiert.

Hier sind einige Ressourcen, in denen Sie weiterlesen könnten:

https://www.gentec-eo.com/blog/laser-beam-divergence-measurement#:~:text=Simply%20put%2C%20it%20tells%20you,beam%20on%20an%20unendlich%20Distanz .

https://qr.ae/pG8mU9

Ich bin kein Experte für dieses spezielle Thema. Ich könnte falsch liegen.

Meines Wissens werden alle elektromagnetischen Wellen gebeugt. Da Laser ein hochkohärentes monochromatisches Licht ist, das durch stimulierte Emission erzeugt wird, sind die Wellenlängen alle gleich und die Täler überlappen sich mit den Tälern und Gipfel mit den Gipfeln. Dies bedeutet, dass es einem perfekten Beugungspfad durch einen Spalt folgen würde, ohne dass sich die Wellen selbst gegenseitig aufheben.

Die Laserstrahlquelle hat immer endliche Abmessungen und kann daher keinen wirklich parallelen Strahl liefern. Der Laserstrahl ist durch seinen Ursprung leicht divergent.