Световые лучи, свойства, описание

Что такое световые лучи?

"Световой луч — это идеализированная модель света, представляющая собой направленное распространение света в пространстве. Он визуализируется как тонкая линия, вдоль которой движется свет, и обычно используется для упрощения анализа оптических явлений, таких как отражение и преломление..."

Полезные статьи:

Солнце, основные элементы, состав

Световые волны, свойства и характеристики

Все статьи

Плоская волна также распространяется в определенном направлении, но не имеет ограниченного поперечного пространственного распространения и, следовательно, не рассматривается как световой луч.

Световые лучи иногда встречаются в природе, но играют важную роль в технической оптике и фотонике, в частности, в форме лазерных лучей. Они наиболее подходят для таких применений, как оптическая связь в свободном пространстве, получение изображений или обработка материалов. Многие оптические методы и устройства работают только со световыми лучами, а не со светом других форм.

Световые лучи обычно рассматриваются в однородных прозрачных средах. Например в свободном пространстве в воздухе или вакууме. Однако их характер может сохраняться, например, при попадании на зеркало или призму, которые, по сути, просто направляют свет в новом направлении. 

Ими также можно манипулировать с помощью других типов оптических элементов. Например, с помощью линз для перефокусировки, оптических фильтров для изменения их спектральных характеристик, оптических модуляторов для модуляции таких свойств, как оптическая мощность и поляризация, и светоделителей для разделения их на два или более луча.

Световой луч может быть виден глазом за пределами охватываемого им объема, только если часть света рассеяна в направлении этого света – например, частицами пыли при колебаниях плотности в воздухе. Как правило, детектор света может обнаруживать только входящий в него свет, но не просто пропускающий его.

Свойства световых лучей

Специфическими свойствами световых лучей являются пространственные свойства, в дополнение к другим свойствам света, которые встречаются также для других форм света. Примерами последних являются:

• оптическая частота; 
• полоса пропускания;
• оптическая мощность;
• поляризация. 

Оптическая частота

Оптическая частота - это частота колебаний соответствующей электромагнитной волны. Для видимого света оптические частоты находятся примерно в диапазоне от 400 ТГц (терагерц = 10 ¹² Гц = 1 триллион герц) до 700 ТГц, что соответствует вакуумным длинам волн от 700 нм до 400 нм. 

Инфракрасный свет имеет соответственно более низкие оптические частоты, в то время как ультрафиолетовый свет имеет более высокие частоты.

Многие уравнения в оптике связаны угловых оптических частот, которые 2 π раз оптическая частота: ω = 2π ν.

Как правило, свет не имеет одной определенной частоты. Его оптическая сила распространяется на некоторые частотный диапазон, который порой тратит всю октаву (т. е. в два раза по частоте), или даже существенно больше. 

Оптический спектр показывает, как мощность распределяется по частотам, т. е. определяет спектральную плотность мощности как функцию частоты или длины волны вакуума.

Существуют технические источники света, которые могут излучать свет с очень малой оптической полосой пропускания – иногда даже значительно ниже 1 Гц, что составляет чрезвычайно малую долю средней оптической частоты в сотни терагерц - и очень высокой стабильностью этой частоты. Такие источники света называются оптическими стандартами частоты и требуются, например, для оптических часов.

Полоса пропускания

Полоса пропускания означает ширину диапазона оптических частот.

Источник света может иметь некоторую оптическую полосу пропускания, что означает ширину оптического спектра выходного сигнала. Для лазеров с узкой шириной линии ширина полосы пропускания может быть чрезвычайно мала – в крайних случаях ниже 1 Гц, что на много порядков меньше средней оптической частоты. 

С другой стороны, ультракороткие импульсы с длительностью импульсов в несколько фемтосекунд могут иметь очень большую полосу пропускания – легко десятки терагерц.

Оптическая полоса пропускания может быть шириной частотного диапазона, который может каким-либо образом обрабатываться оптическим элементом или фотонным устройством. Например, это может быть полоса пропускания отражения зеркала, полоса пропускания оптической передачи оптического волокна, полоса усиления оптического усилителя или полоса фазового согласования нелинейно-оптического устройства.

Оптическая мощность

Термин оптической мощности происходит в литературе с двумя совершенно разными смыслами:

• Это может быть энергия света в единицу времени, передаваемая, например, лазерным лучом.
• Это может быть фокусирующая мощность, также называемая диоптрийной мощностью, например, линзы или объектива микроскопа.

Мощность оптического импульса изменяется со временем, ее максимум называется пиковой мощностью. Пиковую мощность можно оценить по энергии импульса и длительности импульса. В частности, для обычной последовательности импульсов с высокой частотой следования импульсов часто указывается средняя мощность. Когда такая последовательность импульсов отправляется в измеритель мощности с низким временным разрешением, это устройство часто просто отображает среднюю мощность.

Изменение свойств 

Некоторые из этих свойств могут меняться вдоль луча. Например, оптическая мощность может постепенно уменьшаться из-за поглощения или рассеяния в среде.

Световой луч с круглым поперечным сечением может характеризоваться радиусом луча, который обычно изменяется в процессе распространения. На достаточно больших расстояниях он должен увеличиваться из-за дифракции, поскольку свет является волновым явлением. 

Однако радиус луча может первоначально уменьшаться до достижения фокуса луча (или перетяжки луча), где он имеет минимальное значение. Увеличение радиуса луча в дальнем поле связано с расходимостью луча. На самом деле световой луч может иметь два разных положения фокусировки, например, для направления x и y; это называется астигматизмом.

Радиус перетяжки луча и угол расхождения вместе определяют качество пучка, которое, по сути, является мерой того, насколько хорошо он может быть сфокусирован, и связано с пространственной когерентностью.

Особым видом световых лучей являются гауссовы лучи, имеющие гауссовский амплитудный профиль с плоским или параболическим фазовым профилем. В отличие от них, многомодовые лучи обладают более сложными пространственными свойствами.

Генерация световых лучей

Световые лучи часто генерируются с помощью лазеров. А также с помощью аналогичных устройств, таких как усилитель мощности задающего генератора. И тогда их называют лазерными лучами.

Не лазерные источники света (например, лампы накаливания или газоразрядные лампы) обычно излучают свет в пространственной форме, которая не является лучом. Однако из такого света можно формировать световые лучи. Например, можно поместить нить накаливания лампы накаливания в фокус параболического зеркала, чтобы коллимировать свет (или, по крайней мере, некоторую существенную долю его общей мощности), т. е. направить его в основном в одном направлении, что позволяет более контролируемо освещать какой-либо объект.

Заметное различие между лазерными лучами и не лазерными лучами заключается в том, что первые обычно демонстрируют гораздо более высокое качество луча. Кроме того, многие другие свойства лазерного излучения сильно отличаются от света, получаемого из других источников.