Коллимация (Tkllnbgenx)

На нижнем рисунке свет коллимирован

Коллима́ция (от лат. collimo, искажение правильного лат. collineo — «направляю по прямой линии») — формирование упорядоченного потока светового или иного электромагнитного излучения в пространстве. В результате коллимации образуется коллимированный пучок излучения, который также называют параллельным пучком лучей. Он отличается от расходящегося пучка тем, что распространяется строго по прямой, не рассеиваясь в стороны и сохраняя свой диаметр. Типичным примером коллимированного пучка является лазерный луч.

В природе коллимированное излучение встречается, например, в виде света от удалённых небесных объектов. Искусственная коллимация, как правило, производится при помощи специального оптического устройства — коллиматора, состоящего из системы одной или нескольких линз или сферических зеркал.

Описание

Коллимированный пучок — поток тонких, параллельно идущих лучей, распространяющийся в однородной среде с низкой расходимостью, то есть, таким образом, чтобы радиус пучка незначительно изменялся на всём протяжении его распространения. В случае Гауссова пучка это означает, что длина Рэлея должна быть больше, чем предполагаемое расстояние распространения пучка.

Для оценки коллимации измеряется степень коллимированности пучка, которая равняется его радиальной расходимости $\theta =\Theta /2$, где ${\textstyle \Theta }$ — угловой размер источника излучения, образованный в центре коллимирующей линзы. Идеально коллимированный пучок должен иметь нулевую степень коллимированности, его радиус должен быть строго постоянным. Такой пучок распростраяется в пространстве без рассеяния. Факт существования явления дифракции запрещает создание идеально коллимированного луча, тем самым образуя лимит коллимации, который рассчитывается по формуле

$\alpha ={\frac {0.61\cdot \lambda }{D}}$,

где D — диаметр линзы коллиматора. Таким образом, коллиматоры с большим значением апертуры позволяют лучше коллимировать пучки лучей. Одним из источников генерации хорошо коллимированного пучка света является лазер: угол расходимости его луча может быть получен близким к минимальному пределу, определяемому дифракцией.

В оптике идеально коллимированный световой луч принимается за луч, который сфокусирован на бесконечности. Это достигается за счёт того, что волновой фронт идеально коллимированного светового луча приобретает форму плоской волны, которая теоретически не имеет завершения, заканчиваясь в бесконечности. Многие методы проверки коллимации основаны на изучении формы волнового фронта испускаемого излучения: если он имеет форму сферической волны, такое излучение считается неколлимированным.

Источники коллимированного излучения

Естественные

Лучи, исходящие от удалённых источников света (таких, как звёзды), принято считать параллельными, а сами эти источники приравнивают к точечным. Поэтому при конструировании телескопических систем, предназначенных для наблюдения за удалёнными объектами, их фокусные расстояния устанавливают равными бесконечности. Для обычной линзы источник света считается бесконечно удалённым, а сам поток — коллимированным, если расстояние от источника до линзы больше 30 фокусных расстояний этой линзы.

С точки зрения оптики, для оценки величины удалённых объектов линейные размеры неприменимы, вместо этого используют угловой размер. Величиной предмета в таком случае называют угол между оптической осью телескопической системы и крайней наблюдаемой точкой объекта. Чем меньше угловой размер объекта, тем сильнее коллимирован пучок света, исходящий от него. Угловой диаметр самой большой по видимому размеру звезды (не считая Солнца) — R Золотой Рыбы — составляет 0,057 ± 0,005 угловой секунды.

Искусственные

Лазер

Луч от лазерной указки имеет форму параллельного пучка, а следовательно, является коллимированным

Лазерные источники излучения генерируют хорошо коллимированные пучки лучей благодаря многократным отражениям света внутри оптического резонатора. Типичным примером является резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух плоских или сферических зеркал, расположенных параллельно друг другу. Такой тип резонаторов создаёт пучок света с высокой степенью коллимированности, поскольку от обоих зеркал будут отражаться только фотоны, движущиеся вдоль оптической оси резонатора. Наименьшей расходимостью пучка, а следовательно, наивысшей его коллимированностью, обладают газовые лазеры. Полупроводниковые лазеры, напротив, обладают высокой расходимостью излучения, её неодинаковостью в разных плоскостях и её разбросом в лазерах одного типа.

Синхротронное излучение

Синхротронное излучение чрезвычайно высоко коллимированно в направлении его распространения, однако это справедливо только когда электроны движутся на высоких скоростях. Высокая коллимированность этого излучения позволяет проводить с его помощью высокоточные исследования краёв полос поглощения и невалентных электронов. Эта особенность синхротронного излучения также применяется при его использовании в рентгеновской литографии для производства различных микроструктур — таких, как модули памяти и интегральные схемы.

Оптические системы

Основная статья: Коллиматор

Пример коллимирующей линзы

Параболическое зеркало создаёт коллимированный пучок лучей из точечного источника света

Вогнутое сферическое или параболическое зеркало отражает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, в точке своего фокуса. Напротив, если в точку фокуса вогнутого сферического зеркала поместить точечный источник, то пучок расходящихся от него лучей после отражения от зеркала станет параллельным, то есть, коллимированным. Таким образом устроен простейший коллиматор. Однако, данная конструкция применяется, как правило, для коллимации света лишь от небольших источников света — например, светодиодов.

Аналогичным образом коллимированный пучок лучей можно получить при помощи собирающей линзы. Если поместить в точку её фокуса точечный источник, то исходящие из него лучи будут преобразованы линзой в параллельный коллимированный пучок лучей, причём такой коллиматор может использоваться для получения коллимированного света с постоянной фазой и амплитудой.

Применение

Коллимированный луч применяется в сцинтиграфии (когда орган тела обследуется с применением рентгеноконтрастного вещества) и при лучевой терапии.

Коллимация также применяется к пучку частиц и является обязательной частью любого ускорителя заряженных частиц, включая Большой адронный коллайдер. Исторически коллимация использовалась в ускорителях частиц для снижения радиационного фона. Современные ускорители требуют наличие сложных систем коллимации для очистки пучка частиц и защиты оборудования в связи с работой на высоких уровнях мощности, а также из-за высокого уровня светимости ускорителей. Использование подходящих коллиматоров позволяет аккумулировать потери в заранее подготовленных местах, тем самым минимизируя влияние радиации на оборудование и людей.

См. также

• Коллиматор

Литература

• Rajpal S. Sirohi. Optical beam collimation procedures and collimation testing: a summary (англ.) // Optical Engineering. — 2020. — 30 April (vol. 59). — doi:10.1117/1.OE.59.4.040801.