В электромагнетизме , особенно в оптике , расхождение пучка является угловой мерой увеличения диаметра или радиуса пучка с расстоянием от оптической апертуры или апертуры антенны , из которой пучок выходит. Термин имеет значение только в « дальнем поле », вдали от любого фокуса пучка. Однако, на практике, дальнее поле может начинаться физически близко к излучающей апертуре, в зависимости от диаметра апертуры и рабочей длины волны.
Расходимость пучка часто используется для характеристики электромагнитных пучков в оптическом режиме, в случаях, когда апертура, из которой выходит пучок, очень велика по отношению к длине волны . Однако она также используется в радиочастотном (РЧ) диапазоне для случаев, когда антенна очень велика по отношению к длине волны.
Расхождение пучка обычно относится к пучку круглого сечения, но не обязательно так. Например, пучок может иметь эллиптическое поперечное сечение, в этом случае ориентация расхождения пучка должна быть указана, например, относительно большой или малой оси эллиптического поперечного сечения.
Расходимость пучка можно рассчитать, если известен диаметр пучка в двух отдельных точках, удаленных от любого фокуса ( D i , D f ), и расстояние ( l ) между этими точками. Расходимость пучка, , определяется как
Если коллимированный пучок фокусируется линзой , то диаметр пучка в задней фокальной плоскости линзы связан с расходимостью исходного пучка соотношением
где f — фокусное расстояние линзы. [1] Обратите внимание, что это измерение справедливо только тогда, когда размер пучка измеряется в задней фокальной плоскости линзы, т.е. там, где будет находиться фокус для действительно коллимированного пучка, а не в фактическом фокусе пучка, который будет находиться за задней фокальной плоскостью для расходящегося пучка.
Как и все электромагнитные лучи, лазеры подвержены расходимости, которая измеряется в миллирадианах (мрад) или градусах . Для многих приложений предпочтительнее луч с меньшей расходимостью. Пренебрегая расходимостью из-за плохого качества луча, расходимость лазерного луча пропорциональна его длине волны и обратно пропорциональна диаметру луча в его самой узкой точке. Например, ультрафиолетовый лазер, излучающий на длине волны 308 нм, будет иметь меньшую расходимость, чем инфракрасный лазер на длине волны 808 нм, если оба имеют одинаковый минимальный диаметр луча. Расходимость лазерных лучей хорошего качества моделируется с использованием математики гауссовых пучков .
Говорят, что гауссовы лазерные лучи имеют дифракционное ограничение , когда их радиальная расходимость близка к минимально возможному значению, которое определяется по формуле [2]
где - длина волны лазера, а - радиус луча в самой узкой точке, которая называется "талией луча". Этот тип расходимости луча наблюдается в оптимизированных лазерных резонаторах. Информация о дифракционно-ограниченной расходимости когерентного луча по сути задается интерферометрическим уравнением N-щели . [2]
