Тема: Почему лазерный луч виден сбоку?

[diant]

Вопрос простой (в формулировке). А собственно почему он виден сбоку? Если бы мы пустили его внутри пыле- и влаго-защищенной лабораторной комнаты класса "0" (допустим такая существует), то есть в абсолютно чистом воздухе при атмосферном давлении, - мы бы увидели там лазерный луч скажем 3Вт п/п лазера сбоку? Или нет?

Достаточно ли присутствия самого воздуха на пути мощного лазерного луча для его рассеяния, или пыль и всякие взвеси обязательны и без них луч останется сбоку невидимым?

[Gall]

При очень большой мощности может быть достаточно. Где-то перед пробоем возникнет рамановское рассеяние, томсоновское рассеяние, обратный эффект Комптона и т.д., все это приводит к появлению слабенького излучения вбок (зачастую другой длины волны). Не знаю, будет ли этого достаточно, чтобы увидеть луч глазом при мощности, не приводящей к пробою. Но приборами видно будет точно.

[diant]

Почитал о лазерном пробое воздуха. Похоже для него нужны плотности энергии, на много порядков превосходящие плотность энергии в луче самых мощных п/п лазеров. В этом случае (если не ошибаюсь) можно сказать, что луч даже самого мощного п/п лазера будет совершенно не виден сбоку в абсолютно чистом воздухе. Верно?

Если так, выходит, что лучи мощных п/п pointer'ов (>100 мВт) видны сбоку только за счет пыли/взвеси в воздухе, и видны тем лучше, чем больше этой пыли/взвеси в данном месте имеется. А поскольку метеорная пыль (нм-калибра) оседает в атмосфере земли постоянно (про промышленные шлаки и т.д. вообще молчу), можно считать, что на Земле луч мощного пойнтера будет виден ВСЮДУ?

[Gall]

Почитал о лазерном пробое воздуха. Похоже для него нужны плотности энергии, на много порядков превосходящие плотность энергии в луче самых мощных п/п лазеров. В этом случае (если не ошибаюсь) можно сказать, что луч даже самого мощного п/п лазера будет совершенно не виден сбоку в абсолютно чистом воздухе. Верно?

Не могу сказать. Про пробой я здесь сказал просто как про естественный предел мощности луча, который может существовать в воздухе. Если бы не пробой, можно было бы сказать точно: "начиная с какой-то мощности, любой луч обязательно станет виден в силу упомянутых эффектов". Но из-за пробоя луч не может быть сколь угодно мощным, поэтому вопрос звучит так: что раньше, видимость или пробой? Видимость должна быть раньше.

Импульсным лазером пробой создать не проблема. Плотность энергии в импульсе легко делается на 6-7 порядков больше, чем в непрерывном режиме. Все "нелинейные чудеса", пробои, абляции, мгновенные испарения - это импульс. Я работал с азотным лазером, который при фокусировке мог пробивать воздух, так белую бумагу он просто испарял - с громким щелчком оставлял аккуратное отверстие без каких-либо признаков обугливания краев.

Другое дело, что в абсолютно чистом воздухе такие лазеры никто и не проверял. До 1 Вт, по крайней мере, рассеяние на атомах никакой существенной роли не играет. Хотя на самом деле это от длины зависит. Если длиной волны точно попасть в какой-нибудь из квантовых переходов в компонентах воздуха, будет резонанс и будет рассеяние. В такие вещи, как аргон и ксенон, попасть легко, а в воздухе их не так и мало.

Если так, выходит, что лучи мощных п/п pointer'ов (>100 мВт) видны сбоку только за счет пыли/взвеси в воздухе, и видны тем лучше, чем больше этой пыли/взвеси в данном месте имеется. А поскольку метеорная пыль (нм-калибра) оседает в атмосфере земли постоянно (про промышленные шлаки и т.д. вообще молчу), можно считать, что на Земле луч мощного пойнтера будет виден ВСЮДУ?

Просто покажу картинку:


Но это не 100 мВт и даже не 1 Вт. Не знаю, какая здесь мощность. Адская.

[diant]

Gall, понял, спасибо!

Когда-то работал в астрономическом журнале и приходилось писать в частности и про адаптивную оптику. Что-то еще с тех времен в голове осталось

На вашем фото известный военный (к сожалению) телескоп на базе SOR в штатах, у которого весьма совершенная система адаптивной оптики и изощренная тепловая стабилизация (тут вообще вне конкуренции, они там как-то удаленное хранилище льда используют...).
Если не ошибаюсь, что штука назвается фазор (Frequency Addition Source of Optical Radiation) - разновидность лазера, когда излучение от двух Nd:YAG лазеров 1064 нм и 1320 нм суммируется дальше в одном LBO кристалле и на выходе получается 589.2 нм, что соответствует возбуждению натриевого дублета D.

Кстати мощность этого фазора на SORe - 50Вт. У астрономов от 1 до 50 Вт. Дальше повышать нет смысла, там в небе уже насыщение начинается (натрия маловато). Этой штукой они зажигают "натриевую звезду" в атмосфере, где-то на высоте около 90 км, где атомы натрия присутствуют в некотором количестве. Вообще если кому интересно, почитайте сами тут:
http://www.ctio.noao.edu/~atokovin/tutorial/part4/lgs.html
А размер звезды у них около 1 секунды (0.5 м на высоте 90 км). Это к вопросу "к чему стремиться" (мы тут о миллирадах рассуждаем...)

Я вот думаю. Этот желтый луч 50 Вт фазора опять же хорошо виден сбоку не по причине того, что редкие атомы натрия в атмосфере рассеивают его свет - натрия на этой высоте быть не должно (чисто догадка на основании школьного опыта общения с металлическим натрием, а атомарный ведь еще более активен). Значит и тут все дело в пыли и взвесях?

Кстати, луч фазора на обсерваториях коллимируют телескопами, он довольно широкий и поэтому совершенно безопасный. Есть такая фото, когда один инженер на 10-м телескопах Кек поставил свою руку в работающий луч - по эффекту то же самое, что поднять руку ладошкой вверх вечером под натриевым фонарем на улице, не более. Попробую эту фото сюда вставить. На Кеках фазоры 20 Вт.

[Gall]

Спасибо. Я помню, что за исследование делается на этой фотографии, но совершенно забыл, кто именно это делает, и никогда не знал, что у них за лазер.

Луч виден из-за нечистоты воздуха, это ясно. Вообще в таких эффектах серьезную роль играет туман, вода. Условия, при которых сделана эта фотография, мы не знаем - может быть, в этот день дымка в воздухе была чуть выше среднего. Ну и фотография вообще плохое свидетельство - с фильтрами и выдержкой можно так намудрить, что и 100 мВт такую же линию создаст. Небо на фото синее - схемка вечером. Звезды чуть смазаны? - длинная выдержка. Значит, небо чернее, чем кажется, а луч соответственно слабее. Но вообще 50 Вт - это в любом случае очень ярко.

А луч толстый, да. Тонкий луч не может быть нерасходящимся (гауссовы пучки - дифракция луча на собственных краях). Чтобы сделать маленькое пятно на большом расстоянии, нужно начинать с очень большого диаметра. Тогда луч будет мало расходиться, а в некоторых случаях даже будет немного сходящимся. При хорошей когерентности можно сказать, что расходимость луча данной длины волны зависит только от его диаметра в самом тонком месте.

Преобразование частоты в нелинейных кристаллах - стандартный способ получения таких вещей. Жаль, что очень сложный. В любительских условиях дальше 1064->532 пока никому не удавалось пойти. А на самом деле таким способом что угодно сотворить можно - и с частотами играть можно, и сверхкороткие импульсы делать.