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  • 1 # 科學小將

    你好,我來回答一下,僅供參考。

    我認為這個問題應該分兩部分來看,

    第一部分,

    如果是普通的手電筒,燈泡發出來的光是漫反射,會被你說的燈頭過濾一下,然後形成初始的形狀(只說光束,反射光除外),這個形狀隨著光線越來越遠,邊界會變得越來越模糊,大體形狀也會變得慢慢無法分辨。原因是,光線會沿著直線前進,射出距離短的時候,所有“光點”都集中在一個小範圍內,輪廓比較清晰,射出越遠,“光點”就會越分散,輪廓就會越模糊。不管是什麼形狀,三角形,圓形等等,都一樣,太遠了就分不清形狀了。

    如果是鐳射發射器,那就不同了,鐳射發射會有專門的透鏡將光束平行,而且,高階的鐳射發射器還有修正功能,再透過偏光透鏡處理光的形狀,最終得到想要的形狀,這種光在理想狀態下基本不發散,無論射出多遠,都是那麼大的光斑。想想平行線就知道,無論延伸多遠,兩條線之間的距離永遠都不會變。

    朋友們認為呢?

  • 2 # 郭哥聊科學

    回答:理論上,對於平行光來說,發光孔徑是什麼形狀就能形成什麼形狀的光柱。然而實際上並不如此,且看下文,老郭細細為您解答。

    首先,對於平行光來說,發光孔徑是什麼形狀就能形成什麼形狀的光柱。其實,這個已經是有自然現象可以驗證的。比如日食、月食是光在同種均勻介質中沿直線傳播的典型例證。在日食發生過程當中,我們能清晰看到月球遮擋太陽的過程,由於月球是圓的,所以我們看到的邊界也是圓形。沒有被月球遮擋的Sunny,繼續傳播了38萬公里,仍然將月球邊緣的形狀傳遞到我們的眼睛裡。如果我們把太陽看做是一個手電筒,月球就是它前面圓形的遮擋片,光線清晰地給出了透光部分的形狀。

    然而,對於手電筒甚至是鐳射器來說,都是無法保持在長距離傳輸的時候還能保留鏡片的形狀的。這是因為,這兩種光都不是嚴格意義上的平行光。手電筒不是平行光我想各位小夥伴們都是好理解的,所以老郭就不多解釋了。咱們就來說一下鐳射為什麼也不是嚴格的平行光。

    這是由鐳射器的發光原理決定的

    咱們就不對鐳射受激輻射的過程做講解了,只談一下鐳射器的諧振腔,因為這與鐳射的準直性直接相關。鐳射器上有兩塊關鍵性的鏡子,一面是半反半透鏡,一面是全反射鏡。這兩面鏡子被安裝在諧振腔的兩端,鏡子的直徑遠小於諧振腔的長度。諧振腔的長度等於半波長的整數倍,這樣,諧振腔中的光子,只有等於諧振腔所約束的波長的的光才能在到達半反半透鏡的時候以相同的相位從鐳射器中發射出去。

    我們從這個諧振腔工作原理可以看出,只有諧振腔的長度遠遠大於兩邊鏡子的直徑,鐳射器才能有非常高的準直性。在實際應用中,所有的鐳射都是有一定的發散角的。甚至有些鐳射器的發散角還是很大的,比如半導體鐳射器,有些甚至發散角能達到20°~40°左右,這是由於這些小型甚至是微型的鐳射器的諧振腔不能做得很長,諧振腔的選擇性比較差導致的。即使是長度是十幾米甚至幾十米上百米的鐳射器其實也存在著這樣的問題。

    如果我們在這樣的鐳射束前面用一個三角形的孔去遮擋形成一個三稜柱形的光束,這個光速在傳輸到很遠的距離之後,由於發散,它投射在接收屏上的三角形光斑的邊緣,就會隨著接收屏距離光源位置的增加逐漸模糊,直到最後我們再也不能分辨出來光斑是個三角形。在這個位置上的人,也就無法知道,這個光束髮出來的時候是一個三稜柱形的光速。

    其實還有一個更重要的事實,無法保證光柱的形狀,那就是宇宙膨脹。一束被鏡頭約束的鐳射,在宇宙真空中傳播的時候,必然隨著宇宙的膨脹而發散。這就是為什麼越是遙遠的星系,我們看到它們越暗的原因,光線的強度與距離的平方成反比。任何一個平行光速,運動到無窮遠的時候都會隨著宇宙的膨脹變成一個球面波。如果我們還用一個平面的接收屏去接收這束光,我們看到的就是一個越來越接近圓形的光斑。

    其實這個現象也是很容易用實驗來驗證的,我們拿一個手電筒和一個很小的平面鏡(最好是有幾面不同形狀的鏡子:方的、圓的,實在不行摔碎一面鏡子這樣就什麼形狀的都有了),然後用平面鏡把手電筒的光反射到牆壁上觀察反射光的像。如果我們手裡有望遠鏡和那種兒童玩具鐳射筆,也可以做一下相同的實驗。實驗的結果我就不說了,大家有興趣的可以自己檢驗一下我剛才說的道理。

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