Биения в лазерном луче

Аватар пользователя kvg1967

Я продолжаю тему о предрассудках, связанных с фотонами.
Сегодня я собираюсь обсудить такое физическое явление, как биения в лазерном луче. Это явление убедительно опровергает старинный предрассудок «лучи не взаимодействуют друг с другом», но именно вследствие противоречия с предрассудком физики стесняются и описывают явление в скомканном и маловразумительном виде.

Определение из Википедии:

Биения – явление, возникающее при наложении двух периодических колебаний, например, гармонических, близких по частоте, выражающееся в периодическом уменьшении и увеличении амплитуды суммарного сигнала. Частота изменения амплитуды суммарного сигнала (частота биения) равна разности частот исходных сигналов (точнее, модулю этой разности).

Эффект биений широко используется в различных измерительных приборах.


Данная конкретная разновидность биений – биения в луче – создается путем объединения лучей от двух разных лазеров при помощи зеркал, регистрируются при помощи фотодиода и обрабатываются анализатором спектра:


Таким образом, с точки зрения наблюдателя биения в данном случае проявляют себя, как изменение яркости, которое регистрируется датчиком (фотодиодом).


Судя по публикациям в Интернет, эффект биений в луче давно применяется на практике, но при этом описание механизма его возникновения я не нашел. Самое интересное, что даже в Википедии нет статьи, посвященной конкретно этому явлению.

Рассмотрим возможные причины изменения яркости:
1) Лазерный луч колеблется в пространстве, а траектория колебаний проходит через датчик.
2) Фотоны собираются в сгустки.
3) Меняется угол расхождения луча.

Первый вариант должен был бы наблюдаться даже на самом примитивном экране, но никто из экспериментаторов ничего подобного не описывает.

Второй вариант неправдоподобен.

Допустим, что правильным является третий вариант: изменяется угол расхождения луча.
А теперь самое интересное: в таком случае явление также должно наблюдаться невооруженным глазом, если спроецировать составной луч на экран.
Например, яркость должна увеличиваться от краев к центру светового пятна, а при перекрытии луча одного из лазеров диаметр пятна должен уменьшаться.
Эти эффекты должны поддаваться регистрации при помощи обычного фотоаппарата. Подобные картинки кто-нибудь где-нибудь видел?

Физические эффекты должны описываться какими-то графиками и формулами.
Где они, эти самые формулы для данного явления?

Как зависит расходимость составного луча от разности длин волн лазеров?

Какова максимальна относительная разность длин волн, при которой биения можно зарегистрировать? Больше она одной миллиардной доли от длины волны или меньше?
 

Авторство: 
Авторская работа / переводика

Комментарии

Аватар пользователя быкап
быкап(9 лет 6 месяцев)

Интерференция, наверное

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Она самая!
Это явление было обнаружено еще в XVII веке, но именно из-за предрассудков начала XVII века данное явление изучено недостаточно хорошо. У физиков мозги переклинивает: в школе им вдалбливали одно, а на практике иногда наблюдается совершенно другое.

Аватар пользователя Кадавр
Кадавр(2 года 5 месяцев)

Да, да, да!!! Физики ничего не понимают! Нас неправильно учили  в школе! Вы открыли нам глаза! smile8.gif

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Да, именно школа в данном случае поддерживает предрассудки прошлых веков.

Аватар пользователя fivik
fivik(6 лет 3 недели)

Позвольте спросить, в школе какого государства Вы учились? Мне в советской школе нормально объясняли. 

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

В советской.
А проблема с предрассудками в электродинамике – международная, глобальная: до сих пор господствуют представления позапрошлого века, например, химера – корпускулярно-волновая теория.

Аватар пользователя Кадавр
Кадавр(2 года 5 месяцев)

Я МФТИ закончил, к.ф-м.н. Пол жизни проработал в области физики высоких энергий, на ускорителе. Расскажите мне про корпускулярно-​волновую теорию, просветите, что с ней не так?

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Если произвольным образом надергать кусочки из разных теорий и криво их соединить, получается уродливая химера, например, корпускулярно-волновая теория или Теория относительности.
Что не так с корпускулярно-волновой теорией – проще показать:


Продолжаем разбираться с фотонами

Фотоны и изображение на экране

Лучи дробятся на более мелкие лучики, если пересекаются под очень острым углом, измеряемым угловыми минутами.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

Скажите, а вот в верхнем графике не обозначены оси, это график зависимости чего от чего? Ведь в первую очередь нужно понять, что же именно мы обсуждаем...

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

На тизере – просто картинка, изображающая биения.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

Если это просто картинка для привлечения внимания, к теме статьи не относящаяся, то... ну, так не принято в научном сообществе. Более того, в научном сообществе если приводятся чужие рисунки-картинки-таблицы-материалы, принято ставить ссылки на работы, откуда были эти данные взяты, чтобы не посчитали, что вы присваиваете себе результаты не вашей работы.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

А еще подскажите, вот вы пишете: 

Таким образом, с точки зрения наблюдателя биения в данном случае проявляют себя, как изменение яркости, которое регистрируется датчиком (фотодиодом).

Но на вашем рисунке к фотодиоду присоединён прямоугольничек с  надписью "Sweeping Spectrum Analyzer", это с его помощью яркость измеряется?

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Это не моя картинка.
Я позаимствовал ее для наглядности из статьи:

Time-dependent laser linewidth: beat-note digital acquisition and numerical analysis

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

Но дальше в этой статье есть другая картинка, на ней никаких биений нет:

Может быть это неправильная схема эксперимента для регистрации биений?

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Подождем, что на эту тему скажет Dwarf, он писал, что сталкивался с биениями в луче на практике.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

При чём здесь какой-то Dwarf? 

Вы опубликовали статью, и именно вы несете ответственность за всю информацию, которая в ней опубликована. Если вы не в состоянии объяснить, что же вы пишете, то зачем вы это пишете?

Аватар пользователя fivik
fivik(6 лет 3 недели)

"Я продолжаю тему о предрассудках, связанных с фотонами."

"У физиков мозги переклинивает: в школе им вдалбливали одно..."

"Подождем, что на эту тему скажет Dwarf"

Я не могу объяснить найденное на просторах интернета, подождём более умного человека. Главное - чтобы не физик, а то они всё врут.

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Ну почему же только на просторах Интернета?
В предыдущих статьях я описывал свои собственные эксперименты с лазерной указкой, и именно физики не могут объяснить, почему лучи, пересекающиеся под острым углом (несколько угловых минут), дробятся на мелкие лучики.

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

Физические эффекты должны описываться какими-то графиками и формулами.
Где они, эти самые формулы для данного явления?

Вообще-то  в базовом варианте всё есть в школьном учебнике. 

Рассмотрим возможные причины изменения яркости:
1) Лазерный луч колеблется в пространстве, а траектория колебаний проходит через датчик.
2) Фотоны собираются в сгустки.
3) Меняется угол расхождения луча.

 Вот-вот. Напридумывали себе непонятно что, а то что всё это никак не соответствует тому что наблюдается в реальности, вы называете предрассудками физиков.

Тьмы низких истин нам дороже нас возвышающий обман

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

И в каком же это учебнике вы видели формулы, описывающие зависимость изменения ширины составного лазерного луча от параметров излучения двух лазеров?

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

Что такое ширина лазерного луча?

Как настроил установку, такая ширина и будет.

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Э нет, здесь, судя по всему, биения приводят к заметной расходимости луча.

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

Что  у вас подразумевается под биениями? Что с чем взаимодействует так что возникают биения?

Конкретно, вот вы приводите разные  графики.. Что изображено на этих графиках?

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

То есть при той же постановке эксперимента, просто установил телескоп в пучке, поменял диаметр пучка - и биения будут другими? А в чем это будет выражаться, изменение расходимости  будет пропорционально размеру пучка? Или оставаться постоянным независимо от размера пучка?

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

Биения чего?

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

Ну автор же объяснил в своей статье, биения луча, конечно.

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

Биения по ширине, блин.

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Уточняю: биения в луче могут влиять на угол расходимости луча. Этот угол должен меняться с высокой частотой.

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

Эти ваши биения существуют только в вашем воображении.

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Картинка заимствована из статьи:

Time-dependent laser linewidth: beat-note digital acquisition and numerical analysis

Картинку я использовал с единственной целью: для того чтобы показать, что такое физическое явление, как биения в составном лазерном луче, действительно существует в природе и даже используется на практике.
В противном случае меня стали бы обвинять в том, что я его выдумал: нет описания этого явления в учебниках и в Википедии тоже нет.
 

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

Там показаны биения частот.

А вы интерпретируете  эти картинки  как биения чёрти чего и делаете вывод что имеет место модуляция толщины лазерного луча.

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Фотодиод реагирует на изменение яркости.
Почему изменяется яркость?
Я рассмотрел несколько вариантов объяснения и выбрал из них наиболее правдоподобный.

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

Там набегает разность фаз напряжённостей полей разных лучей. Неважно что частоты разные. Изменение яркости будет строго соответствовать частотам разницы, суммы двух частот, и гармоник этих значений.

В схеме интерферометра частота двух лучей одна и та же, поэтому интерференционная картинка неподвижна. По другому, частота изменения этой картинки равна нулю.

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

А теперь попробуйте перейти с представлений XIX века на более современные.
Изменение яркости означает, что на датчик попадает то больше, то меньше фотонов. Почему количество фотонов меняется во времени?

Аватар пользователя GaussCurve
GaussCurve(11 лет 4 месяца)

У вас и фотон тоже нечто своеобразное.

(мстительным голосом)) и лазерная указка у вас - обыкновенный светодиод с линзой

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Э нет, с обыкновенным светодиодом вы интерференционную картину не получите: в его излучении нет ничего похожего на спектральные полоски, все фотоны – разные.
С лампой накаливания эксперименты по интерференции проходят, а со светодиодами – нет.

Аватар пользователя tiriet
tiriet(11 лет 8 месяцев)

два луча с одинаковой интенсивностью входят в полупрозрачное зеркало. один проходит это зеркало снизу вверх без отражений, второй приходит слева, отражается вверх (меня свою фазу на пи) и складывается там вверху с вертикальным лучом, усиливая его, третий луч приходит снизу, отражается вправо, опять же меняя фазу на пи, и четвертый луч приходит слева, проходит зеркало без отражений и тоже уходит вправо, складываясь с третьим лучом и, внезапно, если первый и второй усиливались, то третий и четвертый- ослабляются, а если первый и второй ослабляли друг друга- то третий и четвертый- усиливают. количество фотонов во времени меняется потому, что на зеркале фотоны по разному отражаются и проходят через него- то больше вверх, то больше вбок.

а зеркало есть всегда, даже в коаксиальном лазере- там все равно есть полупрозрачное выходное зеркало, через которое часть пучков выходит наружу, а часть- назад в лазер. :-) и на этом зеркале тоже идет сортировка фотонов- кого куда и где больше итоговой мощности гонять. потому что закон сохранения энергии- это глобальный закон, он выполняется при любых ее преобразованиях в любых СК.

Аватар пользователя Kolobock
Kolobock(2 года 4 месяца)

У вас ошибка в исходных данных.

В случае биения лазерного луча фотодиод реагирует на изменение длины волны входящего излучения, меняются параметры выходного тока.

Про яркость речь не идёт. 

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Да неужели?
Вы завираетесь.

Аватар пользователя Kolobock
Kolobock(2 года 4 месяца)

Это вы завираетесь про количество фотонов :))

Аватар пользователя tiriet
tiriet(11 лет 8 месяцев)

неа... фотодиод работает не так! он чувствителен именно к количеству поступающих в него фотонов с энергией, выше пороговой. прилетел фотон с энергией достаточно для рождения электронно-дырочной пары- родилась пара, а вся лишняя энергия фотона ушла в тепло. пара родилась- переход растащил ее по разные стороны от себя и создал порцию тока. к энергии фотонов фотодиод не чувствителен- или она довольна для рождения пары и создания тока, тогда фотон детектируется, или нет- тогда фотон не детектируется. энергия и частота фотона никак больше не влияют. поэтому фотодиод чувствителен не к яркости, а именно к количеству поступающих фотонов. Яркость света определяется как энергия в единицу времени на единицу площади, а поэтому два красных фотона дают такую же яркость, как один синий. Но для фотодиода два красных дадут две пары, а один синий- одну пару, и поэтому два красных для него в два раза ярче одного синего. А четыре инфракрасных для фотодиода вообще незаметны, потому что электроннодырочных пар не создают, но с точки зрения яркости они эквиваленты двум красными или одному синему. физика- это точная наука. аккуратнее с ней надо.

Скрытый комментарий Повелитель Ботов (без обсуждения)
Аватар пользователя Повелитель Ботов
Повелитель Ботов(54 года 11 месяцев)

Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.

Комментарий администрации:  
*** Это легальный, годный бот ***
Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

А вот еще вопрос. Вот вы предполагаете:

Рассмотрим возможные причины изменения яркости:
1) Лазерный луч колеблется в пространстве, а траектория колебаний проходит через датчик.
2) Фотоны собираются в сгустки.
3) Меняется угол расхождения луча.

Но первый и третий пункт предполагают малость датчика по сравнению с размером пятна. Значит ли это, что если мы возьмём датчик достаточно большой, чтобы при колебании пятна оно не уходило за пределы датчика, и при изменении расходимости при самом большом изменении размера пятна всё пятно по-прежнему умещалось на датчике, то "биений" мы не увидим, потому что датчик по-прежнему будет регистрировать всю яркость?

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Понятия не имею, что будет регистрировать подобный гипотетический датчик.
Но если верно мое предположение номер три, то на экране типа «лист картона» яркость пятна, создаваемого составным лучом, должна будет заметно увеличиваться от краев к центру.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

Ну как же, ведь вы пишете: 

Таким образом, с точки зрения наблюдателя биения в данном случае проявляют себя, как изменение яркости, которое регистрируется датчиком (фотодиодом).

А теперь говорите, что вместо фотодиода нужно использовать экран. То есть фотодиод и измерение яркости - неправильный вариант регистрации биений? Тогда зачем вы о нём упомянули в статье?

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Фотодиод правильный, и в статьях, описывающих биения, обычно говорят именно о фотодиодах.
Я же хочу сказать, что наблюдается паралич мышления у физиков, вызванный дремучим предрассудком: внушили им с детства, что лучи не взаимодействуют друг с другом, а в случае с биениями обнаруживается именно взаимодействие лучей.
Провести же дополнительные эксперименты для прояснения сути явления, хотя-бы и с картонным экраном, предрассудок не позволяет.

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

А почему тогда вы собираетесь использовать не фотодиод, а экран? Может быть в использовании фотодиода есть какая-то другая причина? Потому что когда ученым требуется зарегистрировать пространственное распределение, они обычно используют фотокамеру, ну или ПЗС-камеру, в наше время. А фотодиодом обычно регистрируют изменение какого-то процесса во времени...

И если бы эффект биений был именно в изменении пространственной картины, в качестве регистратора была бы приведена фотокамера...

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Здесь нужен не простой фотодиод, здесь нужен диод, способный регистрировать изменения яркости с частотой в сотни мегагерц.

А вот почему в экспериментах с биениями используются только фотодиоды и не применяются другие средства – это интересный вопрос.

Почему физики так боятся разбираться с природой данного конкретного явления?

Аватар пользователя Cobold
Cobold(12 лет 2 месяца)

А как изменения яркости с частотой сотни мегагерц можно увидеть на экране? Если у вас на экране луч будет увеличивать расходимость с частотой сотни мегагерц, вы не сможете увидеть этого глазом, даже лучшие ПЗС-камеры не обладают таким временным разрешением. Только ФЭУ, но... там свои сложности.

Аватар пользователя kvg1967
kvg1967(2 года 6 месяцев)

Чем выше частота обновления изображения, тем больше оно похоже на статическую картинку.
Картинка на экране монитора меняется с частотой 60 Гц, но изменения яркости изображения прекрасно видны.

Страницы