Тема: Как сделать лазерную установку для исследования среды

[MBG]

При определенной конфигурации лучей глаз самостоятельно сделает обратное преобразование Фурье.

Думаю с этим будут проблемы. Чтобы задать нужную исходную конфигурацию лучей, надо знать законы оптики глаза, а мы их не знаем. В частности, одной из задач опыта и является их выявление.

[Gall]

Особенно меня озадачила поначалу точка с лазерной указки без оптики, просто колпачок с дыркой  2 мм на выходе. Повозившись с ней, пришел к выводу что причина - именно Гаусс, видим только центр.

Не совсем так. В действительности толстый расширяющийся луч от лазерной указки без линзы, вот этот вот широченный конус - это "прямой луч", просто с очень маленькой перетяжкой. В полупроводниковом лазере точно такие же два зеркала, как на картинке с рубиновым лазером из учебника физики, но размер лазера очень мал, поэтому и перетяжка очень мала (микроны) - в таком лазере перетяжка всегда между зеркалами посередине. По законам геометрической оптики должен был бы получиться прямой луч в пару микрометров диаметром, но из-за волновой оптики он превращается в такой вот огромный конус. Причем кристалл имеет прямоугольную форму, поэтому луч - эллипс.

Линза, которая стоит в указке, делает очень простую вещь: превращает луч с маленькой перетяжкой в луч с более толстой перетяжкой. Еще раз эту операцию делает хрусталик глаза, причем перетяжку создает на сетчатке - это мы называем "фокусировка". Не играет роли, сколько линз между сетчаткой и кристаллом лазера - только один хрусталик, или же десять линз одна за другой. В любом случае мы сможем подобрать такое положение, чтобы была точка. (Если луч в глаз идет уже расширяющийся, после перетяжки, как оно обычно и бывает, то достаточно аккомодации глаза примерно на место этой перетяжки, чтобы очередная перетяжка попала на сетчатку.)

Хорошо, оставим пока это. Но как же мы можем говорить о визуальном наблюдении сетки, если она сама есть совокупность тонких лучей, которые судя по Вашим словам, расползутся по всему глазу?

Очень просто - процесс обратимый. Если сетка к моменту попадания на хрусталик уже НЕ БЫЛА сеткой тонких лучей (обычная ситуация), т.е. если лучи уже прошли через свои перетяжки на большом расстоянии от глаза, то хрусталик глаза сетку восстановит и создаст четкую картину. Это обычный процесс зрения. И наоборот, если на хрусталик направить лучи с перетяжкой почти на хрусталике, на сетчатке будут широкие пятна.

Любая линза работает в обе стороны: расфокусированное изображение фокусирует, сфокусированное изображение портит. Если мы хотим получить на выходе сфокусированную картину, на входе она должна быть несфокусированной - и наоборот.

Пример: простейший телескоп Кеплера. На входе у нас свет от звезды, несфокусированный. Объектив его фокусирует. Потом окуляр расфокусирует обратно и готовит к восприятию глазом. Изображение при этом меняет свой размер во столько раз, во сколько отличаются фокусные расстояния объектива и окуляра.

Думаю с этим будут проблемы. Чтобы задать нужную исходную конфигурацию лучей, надо знать законы оптики глаза, а мы их не знаем. В частности, одной из задач опыта и является их выявление.

Вернее сказать, мы не знаем ПАРАМЕТРЫ оптики глаза. Законы мы знаем - волновая оптика, закон ABCD, преломление, интерференция. Это знание уже дает очень много - нам надо не гадать о законах, а всего лишь измерять конкретные цифры в конкретных ячейках матриц.

[MBG]

Gall, хорошо, о перетяжках стало яснее: луч в воздухе при любой фокусировке имеет перетяжку, вопрос где ее разместить. А как он ведет себя в теле линзы, точно так же?
*Видимо скоро я начну хотя бы на пальцах понимать волновую оптику, от которой раньше все время стремился убежать.

Очень просто - процесс обратимый. Если сетка к моменту попадания на хрусталик уже НЕ БЫЛА сеткой тонких лучей (обычная ситуация), т.е. если лучи уже прошли через свои перетяжки на большом расстоянии от глаза, то хрусталик глаза сетку восстановит и создаст четкую картину.

Это понятно. Вопрос в том, что в этом случае мы будем иметь не тонкий канал прохождения луча, а широкий конус со всеми вытекающими.
Однако ведь мы можем сделать два пятна вход-выход одного размера? В этом случае луч тоже будет с перетяжкой, но ведь можно так подобрать параметры, чтобы, например, размеры пятен были 0,5-1 мм, а это уже больше похоже на тонкий канал?

Вернее сказать, мы не знаем ПАРАМЕТРЫ оптики глаза. Законы мы знаем - волновая оптика, закон ABCD, преломление, интерференция. Это знание уже дает очень много - нам надо не гадать о законах, а всего лишь измерять конкретные цифры в конкретных ячейках матриц.

Проблема в том, что глаз, как система, не описывается простым набором линз, то есть мы не знаем ни законов его работы в целом, как системы, ни параметров составляющих этой системы. Если в этих условиях возможно "измерить цифры в ячейках" - это хорошо.

[Gall]

Gall, хорошо, о перетяжках стало яснее: луч в воздухе при любой фокусировке имеет перетяжку, вопрос где ее разместить. А как он ведет себя в теле линзы, точно так же?

Да. Во всех средах одинаково. Только надо помнить, что луч не всегда доходит до своей перетяжки; гораздо раньше ему может встретиться, например, граница стекла и воздуха. Внутри линзы обычно так и происходит, т.е. в норме внутри линзы перетяжка не оказывается. Но если специально постараться, то окажется.

Волновая оптика в случае лазеров проявляет себя особо. Для обычного, некогерентного света волновые явления заметны едва-едва - свет состоит из бесчисленного множества разных волн, каждая волна ведет себя по-своему, все это перемешивается и усредняется. Для лазера, луч которого состоит из одинаковых, когерентных волн, эффекты становятся даже слишком заметны. Спеклы вы знаете. А еще очень неприятное явление - малейшая пылинка на линзе, через которую проходит луч лазера, сразу же создает красивую картину дифракции. (Если лазер плохо сфокусировать, увидите - вместо ровного фона будут красивые кольца и полосы космического вида). Для белого света разные картины смешались бы просто в общее размытие. Распространение и фокусировка лучей - еще один наглядный пример. А уж дифракция на натянутом волосе как получается...

Это понятно. Вопрос в том, что в этом случае мы будем иметь не тонкий канал прохождения луча, а широкий конус со всеми вытекающими.
Однако ведь мы можем сделать два пятна вход-выход одного размера? В этом случае луч тоже будет с перетяжкой, но ведь можно так подобрать параметры, чтобы, например, размеры пятен были 0,5-1 мм, а это уже больше похоже на тонкий канал?

Надо считать. Если 1 мм, то "около 1 мм на входе, около 1 мм на выходе" - это достижимо вполне. Т.е. луч уже начнет перефокусироваться, но на отведенных ему 1-2 сантиметрах еще не успеет этого сделать. Но, кажется, 1 мм - это грубовато, надо бы потоньше.

Метод, на который я надеюсь, заключается вот в чем. Если два разных толстых луча своими краями задевают один и тот же дефект, то этот дефект определенным образом скажется на каждом из этих лучей. Видя проявления дефекта на двух разных лучах и зная, в каком именно месте эти лучи затрагивают одно и то же, можно определить местоположение и характер дефекта. Разумеется, лучей можно взять больше двух.

Вернее сказать, мы не знаем ПАРАМЕТРЫ оптики глаза. Законы мы знаем - волновая оптика, закон ABCD, преломление, интерференция. Это знание уже дает очень много - нам надо не гадать о законах, а всего лишь измерять конкретные цифры в конкретных ячейках матриц.

Проблема в том, что глаз, как система, не описывается простым набором линз, то есть мы не знаем ни законов его работы в целом, как системы, ни параметров составляющих этой системы. Если в этих условиях возможно "измерить цифры в ячейках" - это хорошо.

Возможно!

Мы можем рассматривать любую систему линз как "черный ящик", в который мы бросаем фотоны с одной стороны, а с другой стороны они оттуда вылетают. Мы можем записать зависимость координат и направления выхода фотона от координат и направления входа фотона. Это можно сделать в общем виде. Матричное представление оптики как раз на этом и основано: оптические элементы можно комбинировать сколь угодно сложно, но общее уравнение не меняет свой вид. Точно так же, как мы любое число всегда можем записать цифрами, не зная при этом, откуда и почему это число взялось.

[MBG]

Да. Во всех средах одинаково.

ОК

Надо считать. Если 1 мм, то "около 1 мм на входе, около 1 мм на выходе" - это достижимо вполне. Т.е. луч уже начнет перефокусироваться, но на отведенных ему 1-2 сантиметрах еще не успеет этого сделать. Но, кажется, 1 мм - это грубовато, надо бы потоньше

Конечно грубовато, но судя по Вашим словам, это уже скорее предел мечтаний получается. В идеале же, думаю, вполне достаточно будет 0,2 мм.

Метод, на который я надеюсь, заключается вот в чем. Если два разных толстых луча своими краями задевают один и тот же дефект, то этот дефект определенным образом скажется на каждом из этих лучей. Видя проявления дефекта на двух разных лучах и зная, в каком именно месте эти лучи затрагивают одно и то же, можно определить местоположение и характер дефекта. Разумеется, лучей можно взять больше двух.

Да, по множественному проявлению в разных пробах можно составить целостную картину. Однако, в условиях черного ящика, это потребует нетривиальной программной матобработки, насколько я понимаю.

Возможно! Мы можем рассматривать любую систему линз как "черный ящик", в который мы бросаем фотоны с одной стороны, а с другой стороны они оттуда вылетают. Мы можем записать зависимость координат и направления выхода фотона от координат и направления входа фотона. Это можно сделать в общем виде. Матричное представление оптики как раз на этом и основано: оптические элементы можно комбинировать сколь угодно сложно, но общее уравнение не меняет свой вид. Точно так же, как мы любое число всегда можем записать цифрами, не зная при этом, откуда и почему это число взялось.

Да, только проблема мне видится в том, что "записать" мы ничего не сможем, поскольку выхода = регистрации выходных процессов у нас нет. Ладно, примерно понятно, надо думать.

Подтверждениярегистрации на холофоруме до сих пор не получил.
Скажите, а нельзя ли нарезать сетку из толстого пучка фигурной тонкой диафрагмой в фольге?

[Gall]

[Конечно грубовато, но судя по Вашим словам, это уже скорее предел мечтаний получается. В идеале же, думаю, вполне достаточно будет 0,2 мм.

Можно и 0.5 мкм сделать Просто не "лобовым" методом.

Да, по множественному проявлению в разных пробах можно составить целостную картину. Однако, в условиях черного ящика, это потребует нетривиальной программной матобработки, насколько я понимаю.

"Нетривиальная" не значит "сложная". Наглядный пример - голография. На каждую точку фотопластинки попадает свет, отразившийся от каждой точки предмета, все сложно перемешивается. Похожий случай, верно? Казалось бы, задача определения, как выглядит предмет, должна быть очень сложной. В действительности достаточно просто осветить снимок под определенным углом, чтобы картинка проявилась сама собой. Те же самые законы волновой оптики, которые "запутывали" картинку, способны сыграть в обратную сторону и "распутать" ее.

По "счастливому стечению обстоятельств" формулы для прямого и обратного преобразования Фурье одинаковы. Этим мы и пользуемся.

Подтверждениярегистрации на холофоруме до сих пор не получил.

Если не ответят в ближайшее время, скажите, я попинаю Ахмета (админа). Я там тоже модератор.

Скажите, а нельзя ли нарезать сетку из толстого пучка фигурной тонкой диафрагмой в фольге?

Можно. Только диафрагму лучше делать не из фольги, а из фотопленки: сфотографировать нужный рисунок и проявить. Только надо учесть дифракцию.

[MBG]

Можно и 0.5 мкм сделать Просто не "лобовым" методом.

0,5 мкм? гхм... на таком разрешении можно уже другие вещи посмотреть. Видимо я смогу это сделать только с Вашей помощью, поскольку сам не обладаю нужными знаниями в области. Вы сможете помочь мне в этом?

Если не ответят в ближайшее время, скажите, я попинаю Ахмета (админа). Я там тоже модератор.

Да, спасибо. Думаю, что и здесь я  не обойдусь без Вашей помощи в постановке задачи Валерию. Ведь голограмму явно надо делать по Вашему методу с преобразованиями Фурье, верно?

Можно. Только диафрагму лучше делать не из фольги, а из фотопленки: сфотографировать нужный рисунок и проявить. Только надо учесть дифракцию.

Хорошо. Поскольку я не представляю как учесть дифракцию расчетами, то попробую несколько разных щелей с разной толщиной, для начала видимо распечатаю на принтере на прозрачной пленке.

[Gall]

Можно и 0.5 мкм сделать Просто не "лобовым" методом.

0,5 мкм? гхм... на таком разрешении можно уже другие вещи посмотреть. Видимо я смогу это сделать только с Вашей помощью, поскольку сам не обладаю нужными знаниями в области. Вы сможете помочь мне в этом?

Надеюсь. Тут не все просто, и тут наверняка есть подводные камни, которых я пока не вижу.

Ведь голограмму явно надо делать по Вашему методу с преобразованиями Фурье, верно?

"Голограмма" = "преобразование Фурье". Это по сути одно и то же.

Можно. Только диафрагму лучше делать не из фольги, а из фотопленки: сфотографировать нужный рисунок и проявить. Только надо учесть дифракцию.

Хорошо. Поскольку я не представляю как учесть дифракцию расчетами, то попробую несколько разных щелей с разной толщиной, для начала видимо распечатаю на принтере на прозрачной пленке.

Учет дифракции по сути очень прост. В первом приближении: если отверстие обрезало часть луча, то мы создали в этом отверстии новую перетяжку. Луч после отверстия - новый луч - идет уже от этой перетяжки.

[MBG]

Gall, ок, спасибо.
Попробовал в первом приближении сделать сетку на пленке с распечатанными штрихами. Дифракция не вмешивалась, но ничего близкого к четкой картинке на мишени получить не удалось.
Методом тыка никаких перетяжек не увидел. Надо хотя бы примерно считать оптику и расстояния где что ставить. Где об этом посмотреть?
Подойдут ли обычные необработанные линзы для очков в качестве оптики?
*И вот однако проблема нарисовалась.. из чего все же подручного проще делать все держатели?

[Gall]

Методом тыка никаких перетяжек не увидел. Надо хотя бы примерно считать оптику и расстояния где что ставить. Где об этом посмотреть?

В первом приближении можно считать по законам геометрической оптики и формулам дифракции из обычного школьного учебника физики. Геометрическая оптика предсказывает фокусировку с точностью, достаточной для ручного изготовления деталей, а более точное положение все равно придется настраивать винтами.

Подойдут ли обычные необработанные линзы для очков в качестве оптики?

Да. Очковые линзы хорошо работают, пока не требуется очень тонкой фокусировки и пока лучи не сверхмощные. Единственный недостаток - большие габариты и совсем короткофокусных не бывает. Еще можно использовать линзы от DVD-приводов (и другие оптические детали тоже), небольшие хорошие лупы; в особых случаях - объективы от микроскопов или фотоаппаратов.

*И вот однако проблема нарисовалась.. из чего все же подручного проще делать все держатели?

Оргстекло (или другие пластики) и алюминий. Если совсем быстро надо, годится фанера и даже толстый картон. Обрабатывать можно ручным лобзиком, как в школе на труде. Экспериментальные оптические схемы можно делать в "песочнице" - сделать ящик с песком и втыкать палки в песок. Песок, кстати, от вибраций прекрасно защищает и позволяет даже интерферометрию делать. Если надо сделать корпус зрительной трубы, подойдет пластиковая канализационная труба. Вообще в строительном магазине много интересных вещей - канализация, вентиляция, водопровод, распределительные коробки для электрики. Многие такие материалы годятся.

Вот как я интерферометр делал, например: http://fotki.yandex.ru/users/agalakhov/album/64691/

В книжке "Holography handbook" были картинки с идеями самодельных держателей для оптики.

[MBG]

ОК, начну с учебника.
Строительный магазин я уже обшарил, оттуда струбцины, их удобно крепить на столе в нужном месте штангой верх. Для крепления собственного черепа - деревяный упор. Но не нашел пока ничего простого для крепления к этим штангам самих держателей лазера, диафрагмы и оптики. Смотрел уже и медицину и химию, пока пусто, ищу может какие-то учебные держатели что ли.
Идея с песочницей понравилась, но пока буду на штангах пробовать.
Искал в нете Hansen J., Schlesinger B., Unterseher F., Holography Handbook: Making Holograms the Easy Way - нашел только покупки в магазинах.

[Gall]

Хм... у меня эта книга бумажная, я когда-то купил. Сканами не интересовался

Простейшие крепления - металлические пластины с отверстиями и винты (пластины можно подгибать). Годятся строительные. Или детали детского металлического конструктора, там весьма разнообразные крепления есть. Со строительными пластинами все это хорошо комбинируется. Пластиковым "лего" тоже пренебрегать не надо, это удобный способ что-нибудь быстро закрепить на нужном месте.

Золотое правило построения всех оптических конструкций - не позволять деталям "гулять". Жесткость получается за счет треугольников, фермовых конструкций, или просто за счет массивных сплошных деталей. Если есть выбор, надо всегда делать опору на три точки.

[MBG]

Да, спасибо.
Приехал из очередного похода в кастораму, мебельная фурнитура на трубках решает все задачи, все будет жестко.
Линзы +15 +10 -12 -19 купил.
Насколько я понимаю, схема такая:
лазер без оптики - минусовой линзой расширяем пучок, плюсовой коллимируем, дальше диафрагма с сеткой, далее плюсовой оинзой уменьшаем масштаб и на выходе минусовой все это коллимируем на мишень.
Нигде не ошибся?
Если вечером куплю все детали крепежа, буду пробовать.

[MBG]

Все купил. Не обошлось без некоторых промахов и танцев, но в итоге все сложилось: Стандартные соединители от модульного конструктора стелажей + три алюминиевые трубки - и все получилось, вполне добротно и удобно, точности регулировки и жесткости должно хватить имхо. Промахнулся только с держателями для линз, взял трубные сантехнические, но они оказались непригодными к делу. Буду на длинных винтах просто ставить деревяные перекладинки-зажимы.
Попробовал в работе.
Итоги: получил колимированнй пучок на двух плюсовых линзах, размер равен диаметры выходного отверстия лазера, меньше пока не хочет. Перетяжки не увидел, видимо неправильно смотрел.

Вопрос вот какой. Из лазеров у меня одна старая указка и два новых китайских лазерных модуля, специально заказанных в Китае же. У всех трех разный вид излучения, если смотреть им в камеру:
Указка - очень маленькая точка в середине очень тонкого светящегося отрезка
ЛМ1, на выходе была нерегулируемая кросслинза, линзу снял - неровное пятно какой-то резчатой формы.
ЛМ2, на выходе была регулируемая линза-точка, линзу снял - овальное мутное пятно. Не похоже что там стоит еще линза.

Как это все понимать? Почему такая разница? Получается что моя старая указка лучше всех этих новых ЛМ?

[Gall]

Старая указка (особенно если она ОЧЕНЬ старая) может действительно быть лучше многих современных модулей.

Овальное пятно - нормально. Муть и разводы - скорее всего пыль в луче. Пятно очень неправильной формы - точно пыль. Несколько пылинок на выходном окне лазера дают именно такой эффект.

Расширять пучок можно и плюсовой линзой (обычно это не приходит в голову, но можно!). Плюсовая линза сначала луч сжимает, а потом луч после фокуса (он же перетяжка) расширяется обратно, и этим можно пользоваться. Например, если луч надо превратить в широкий конус, проще всего пропустить его через объектив от микроскопа (фокусное расстояние несколько миллиметров). Да, "фокус" и "перетяжка" - одно и то же. У схемы с очковыми линзами перетяжки могут быть очень невнятными и едва видимыми (или вообще невидимыми без приборов). Чем короче фокус, тем четче видно.