О расходимости луча.

Доброго времени суток, уважаемые форумчане. Довольно часто вижу вопросы от новичков, да и не только от них, касающиеся фокусировки лазерного луча в маленькую точку на большом расстоянии. Дескать, если взять супер оптику и пропустить через нее лазерный луч, то можно чуть ли не с километра поджигать спички, резать дерево, пластик и т.п. Правда волновую природу света никто не отменял и свет, как и все в этом мире подчиняется законам физики. Поэтому решил создать простенький эксельный документ, в котором расчитывается расходимость луча в зависимости от его изначального диаметра и длины волны света.
Основная рабочая формула для расчета: α = 1,22 λ/d, где α - угол расхождения (радиан), λ - длина волны света (в документе для удобства в нм), d - исходный диаметр луча (в документе для удобства в мм). 1,22 - коэффициент, зависящий от формы апертуры (выходного отверстия). Насчет этого коэффициента есть вопрос, так как в одних источниках сообщается, что это коэффициент для половинного α, а в других - для полного α. Просьба знающих людей (я имею в виду людей, которые хорошо владеют оптикой) разъяснить данный вопрос.
Расчеты в таблице приведены для идеального случая: изначальный источник света - точечный, все оптические компоненты не имеют аберраций и сфокусированы на бесконечность. По работе с таблицей вопросов, думаю, возникнуть не должно; необходимые пояснения, графики и иллюстрации я привел. Впрочем, если что-то не ясно, постараюсь разъяснить. В дополнение, на второй вкладке приведен простой расчет оптической системы для изменения геометрических размеров сколлимированного пучка.

 

Большое спасибо! Будем изучать.

 

Не за что. Кстати, для более точного расчета для реальных условий (для лазерных диодов в частности) было бы неплохо собрать статистику по результатам измерений параметров расходимости. Что именно нужно: исходный диаметр луча, диаметр пятна при наилучшей фокусировке на некотором расстоянии и, собственно, это некоторое расстояние (чем больше, тем лучше). В настоящее время я сам собираю эту информацию, благо лазеры основных цветов есть и с оптикой проблем нет. Но если кто-то может помочь, буду очень рад.

 

За считалку спасибо, полезная вещь. При натурных измерениях стоит учитавать состояние атмосферы, которая может очень нехило (в разы) разваливать пятно на конце трассы. Возможно стоит использовать опорный луч с извесной расходимостью и считать поправку.

 

Скачал табличку, но честно скажу: применить ее для себя пока что не получается - знаний в физике/оптике маловато. Я же новичок на сайте и вообще, в деле лазеростроения.

По этому мне очень нужна помощь опытных форумчан. Я уже задавал свой вопрос в теме для новичков, но ни одного путного ответа не дождался, видимо профи туда и не заходят.

А вопрос заключается в следующем. Я хочу собрать переносную автономную систему состоящую из лазера, драйвера, оптики, которая могла бы не светить а именно жечь (лопать шарики) на относительно большом расстоянии (100м.-500м.).
Главное, что меня интересует - возможно ли это? Если - да, то в какую денежку выльется?
А теперь конкретнее.
Подскажи пожалуйста, какой мощности (5W, 25W, 40W или другой) и волны нужен диод, что бы эффективно работать в данной системе на указанных расстояниях (исходя из твоей таблицы?)? Я планирую сделать импульсный режим работы, что бы избежать перегрева и сделать расход батарей более экономичным.
Светить (ослеплять гопников, как это описывают в соседних ветках) не собираюсь, т.к. планирую использовать девайс в мирных/развлекательных целях и хочу исключить возможный вред окружающим. Потому, планирую стрелять по шарикам импульсами: прицелился, нажал на спуск, поразил и никому в глаза не попал.

Второй вопрос по оптике. Существуют ли готовые решения, которые подойдут для этой моей схемы? В одной из тем на форуме видел видеоролик на котором мужик светит лазерной указкой в глазок установленного на треноге телескопа, и лопает шарик на расстоянии метров 20, на который этот телескоп нацелен. Но это всего лишь пример (намек), т.к. оптика эта совсем не адаптирована для такого применения. Но хочется подобрать оптику (возможно рассчитать с нуля), что бы на 100-500м. можно было эффективно жечь.

Третий вопрос касается драйвера, но это уже не для данного раздела форума наверное.

 

Лопнуть шарик определенного цвета и зажечь чтони буть это сильно разные вещи, первое возможно получится сделать чемто вроде SSY-1 на нескольких десятках метров, второе значительно сложнее.
Такая система возможна, будет представлять из себя именно телескоп с обьективом ничиная гдето с метрового. Стоить будет соотвецтвенно очень много. И пахнуть десятком статей сразу, тк это уже не просто опасный лазер, это оружие запрещенное в большенстве стран.
Если у вас есть свой спец по оптике, очень странно, что он вам этого не обьяснил.
Вот и получается что ваша затея на 500м впринцепе не подьемна для новичка, будет стоить несколько милионов, светит статьей и вообще зачем нужна вы тоже не говоите , поэтому толком никто и не отвечает.
А в связи с нарастающей истерией такие вопросы вообще навивают мысли о журналистах, ищущих очередную лазерную страшилку.

 

На сколько я понял, Engin, оптику вы знаете весьма поверхностно. Но при этом хотите создать, по сути, лазерное оружие. Единственное, что я могу вам ответить сейчас наверняка, что создать портативную установку такой мощности у вас не получится.
По теме расходимости. С точки зрения геометрической оптики, проблемы фокусировки на расстоянии 100, 500 или сколько угодно метров нет. А с точки зрения волновой все становится гораздо сложнее. Приведенная мной в самом начале таблица показывает поведение светового пучка с учетом дифракционной расходимости, явления, которое обусловлено именно волновой природой.
Я пробовал дополнительно фокусировать сколлимированный красный луч через телескоп (ТАЛ-120, диаметр главного зеркала 120 мм, фокусное расстояние 805 мм). При увеличении в 32 раза изначальный диаметр луча около 4 мм становился равным около 120 мм. И о получении даже на сравнительно небольшом расстоянии в 300 м маленькой точки не шло и речи. При этом на больших расстояниях луч расходился гораздо меньше. Например, на расстоянии примерно 1,5 км пятно было диаметром сантиметров 20, в то время как пятно при изначальном диаметре луча 4 мм было около метра в диаметре.

 

Спасибо за ответ! Действительно, эта истерия совершенно не вовремя образовалась. И все из-за нескольких моральных уродов. Так же и с страйкболом (игрушечное оружие стреляющее шариками), из которого кто-то выбил другому глаз - были слухи, что запретят.
Кстати, я совсем из другой братии - я музыкант и диджей. У меня даже лазер дискотечный трехцветный есть уже лет пять.

Для чего мне это нужно? Очень часто вижу на форуме этот вопрос: зачем все эти лазерные указки/фанарики нужны? Большинство признается, что наигрались поджиганием спичек и лопаньем шариков всего за несколько дней, кто-то потерял к ним интерес полностью, а остальные зарегистрировались на нашем (в частности) форуме и сделали своим увлечением разработку чего-то большего, чем просто банальная указка. Подозреваю, что игра в резку черных пластмасок от cd-коробочек надоест мне очень быстро. А какое же может быть практическое применение л.? - Их множество, конечно. Лично мне всегда хотелось иметь что-то, для стрельбы на дистанции (спортивно-развлекательный интерес). Не опасное для окружающих (в отличие от стрел/пулек/пластм и мет.шариков), но способное лопнуть тот самый резиновый шарик (мишень).
Когда я наткнулся на наш форум, то очень обрадовался, т.к. наконец-то появилась возможность реализовать свою мечту! Повторяю, я не собираюсь слепить людям в глаза как это делают отморозки светя указками в транспортные средства, по этому мне подойдет л.д. излучающий в наимение чувствительном для глаз диапазоне, к тому же импульсный (прицелился-поразил мишень (шарик) и никому случайно в глаз не попал).
Спеца по оптике у меня нет - откуда ему взяться? Я обычный юзер, очень слабо разбирающийся в электронике (несмотря на специальность слесаря-механика по радиоаппаратуре) и тем более в оптике и физике. Я бы рад задать свои вопросы в ЛС, но не получается (в темах эта кнопочка вообще отсутствует, а из профиля форумчан отправить сообщение сложно - стоит лимит на количество знаков - влезает лишь 5-я часть сообщения за раз, пипец просто).

Насчет миллионов - сдаюсь, не потяну!
Мне бы хотя бы шарики лопал - уже приятно. Десятки тысяч - это разговор.
Но только если действительно честная сборка получится.

P.S.: SSY-1 - поиск по форуму не находит. Можно ссылочку, где почитать, что это такое?
Уже нашел кое что - yandex помог...

 

Ну какое же это лазерное оружие? То о чем вы говорите успешно обсуждают в других ветках (ослепляющее оружие против гоп-ков например), и то, никто его такими словами не называет. Мне же интересно спортивное применение - стрельба по мишеням (шарикам).
Связываться с арбалетами (вот это действительно грозное оружие, и совершенно легальное, не требует разрешения), пневматикой и пр. нет желания, т.к. именно они потенциально опасны.
Насчет 500 метров - это я для примера спросил, 100 - тоже хорошо.
Как здесь на форуме общаться то нормально, отправлять лс? Жутко неудобно!

Насчет вашего телескопа, так даже мне понятно, что оптическую систему необходимо рассчитывать с нуля под конкретное применение, и в нашем случае - под конкретный л.д.. Только так можно достичь определенный уровень эффективности сборки.

Я извиняюсь, Александр, за этот небольшой оффтоп в вашей теме, но так как я являюсь одним из тех новичков, о которых вы упомянули в первом посте вашей темы, то и вопрос свой я задал именно в ней.
Если не сюда, то посоветуйте другой раздел, в котором моя тема придется к месту, и где можно рассчитывать на помощь в сборке?

 

100м и 500 - тоже большая разница, что какраз хорошо илюстрирует прога Alexander47, тк из-за расходимости и общего развала луча атмосферой сильно меняется максимально возможная для конкретной системы плотность мощности на мишени.
НО есть большое НО: лазер способный что нибуть прожечь или лопнуть на расстоянии ВСЕГДА будет опасен для зрителя, особенно для случайного. Пожалуй даже более опасен чем пневматика и темболее страйкбол.

 

Вот по этому я и хочу импульсный тип сабжа, что бы не водить лучом во все стороны рискуя попасть кому нибудь в глаза, а сначала прицелиться, за тем нажать на спуск, поразить мишень и все - лазер уже не светит (система заряжается).

О формуле. Если известно значение расстояния (100 м.) на котором луч должен сохранять эффективную энергию (ожидаемое нами значение), то наверное можно определиться с мощностью л.д.? Т.е., если у 5W-диода (например) мощность на этом расстоянии окажется ниже рекомендуемой, то значит нужно применить 20W-диод. Мало - 40W. И т.д.
Или же, используя грамотную систему линз, удастся сделать эффективной на указаном расстоянии энергию и 5W-диода? Нет? Значит снова повышаем (20W, 40W и т.д.).
Т.е. как я понимаю, необходимо определить мощность диода исходя из рекомендуемого расстояния работы и доступных оптических систем фокусировки (просветленные линзы и т.д.).

 

Самый простой расчет. Берем расстояние в 100 м. Диаметр пятна 15 мм для фиолетового света (405 нм). Исходный диаметр луча получается 8,9 мм. (Все это рассчитывается во второй строке таблицы). Теперь по мощности. Примем, что для плавления резины, из которой сделан шар необходима плотность мощности 100 мВт на 1 квадратный миллиметр (значение ориентировочное). При диаметре пятна в 15 мм, площадь (для круга) равна 177 квадратных миллиметров. Получаем необходимую мощность луча 17,7 Вт. Все просто, в теории. Где вы найдете лазерный диод (вам ведь нужен портатив) с длиной волны 405 нм и мощностью 17,7 Вт?
P.S. Все вышепривиденные расчеты для идеального случая. В реальности все будет гораздо хуже.
P.P.S. Пардон, ошибся в расчете. Диаметр пятна будет 20 мм, соответственно площадь - 314 квадратных миллиметров и мощность в 31,4 Вт

 

Спасибо за такой наглядный пример работы таблицы!
Мне не нужен портатив. Просто мобильность, свобода от сети 220вольт, кабелей и т.д. Я не собираюсь таскать его с собой как л.указку постоянно. Длинна сабжа (все вместе с оптикой) около 1 м. устроит вполне. Это упрощает поиск решения?

 

Появились кое-какие результаты экспериментов с фокусировкой. Исходные данные: диоды 650 и 405 нм в модулях Aixiz со стеклянными линзами. Фокусировка через ТАЛ-120 (F=805 мм, f=40 мм). Начальный диаметр луча при этом составил 90 мм. На расстоянии 300 м для красного луча удалось получить пятно диаметром около 5 см. С фиолетовым лучом при наилучшей фокусировке диаметр пятна составил около 3 см. На расстоянии около 70 м как для красного, так и для фиолетового лучей пятно было менее 1 см. Получить более точные результаты пока не могу, но как только появится возможность попасть на открытую местность, измерю основные параметры более точно.
К сожалению, получить данные для параллельного луча не получилось из-за малого расстояния для фокусировки (300 м для главного фокуса 805 мм очень мало), поэтому луч был сходящийся, что объясняет меньший размер пятна по сравнению с начальным диаметром.

 

Импульный режим потребует большей мощности и неменее опасен, как и рассеяное излучение от мишени. Помоему лазерный тир проще сделать на указке и фотоприемниках, а просто тир на пневматике.

Очень советую померить пятно на нескольких сотнях метров, да и вообще посмотреть на него перед закатом, вовремя, и через полчаса после: во-первых красиво, а во-торых дает много пищи для размышлений.

 

Измерил размеры пятна для зеленого лазерного модуля 532 нм. На расстоянии 300 м без дополнительной фокусировки пятно было диаметром около 40 см (начальный диаметр луча, если верить китайцам 1,1 мм). При фокусировке через ТАЛ исходный луч получился около 50 мм и на расстоянии 300 м диаметр пятна составил около 3 см. Правда, из-за центрального экранирования вторичным зеркалом телескопа большая часть света была потеряна и пятно было очень тусклым. Также попробовал сфокусировать луч через шестикратный искатель: сантиметровый луч вначале и пятно около 7 см на трехстах метрах.
Насчет влияния атмосферы. На расстояниях, с которыми я сейчас имею дело, каких-то заметных искажений, вносимых атмосферой, не заметил. Вообще, экспериментальные результаты довольно близки к теоретическим расчетам. Лучше, конечно, проводить измерения на расстоянии в несколько километров, но такой возможности у меня пока нет.
Как предварительный вывод: для того, чтобы получить слаборасходящийся луч вполне хватит начального диаметра 30-50 мм. Т.е. достаточно пропустить тонкий луч через простенькую подзорную трубу с объективом в 50 мм и увеличением 30-50 раз (если исходный луч около 1 мм).

 

В то или иное время своей лазерозаинтересованности каждый ставил такой же вопрос перед форумчанами, или , хотя бы перед самим собой. Я, вот например, ответа на него так и не нашел. Ну, теоретические рассуждения... да и только. Далее дело не идет.
Учитывая то, что многие все-таки пробуют сделать что-то практически, я ставил вопрос так: а у кого какой максимум уже получился? Я имею в виду бытовые возможности. Пусть человек очень богатый, например внук Чубайса или этого, как его... черт, Брынцалова... или какого-нибудь Абрамовича... В общем, могущего на развлечение потратить тысяч 100 - 300, задастся именно этой целью - прострелить шарик на как можно большем расстоянии. Чего бы он смог добиться? У него нет лаборатории, но он может выписать из штатов любой лазерный диод. Может достать отличную оптику. Может заручиться поддержкой знатоков с этого форума (или другого).
Вот тут уже есть пример, хотя и не очень правдоподобный:
"В одной из тем на форуме видел видеоролик на котором мужик светит лазерной указкой в глазок установленного на треноге телескопа, и лопает шарик на расстоянии метров 20, на который этот телескоп нацелен."
А больше? Только реально!
На счет темы - оружие это или нет... Все-таки оружие. И очень многообещающее. До сих пор в нашей цивилизации люди еще защищаются прозрачными преградами (стекло, пластик), полагая, что защитившись от чисто механического вмешательства, они в безопасности. Но выцелить легко воспламеняющийся материал внутри салона автомобиля своего врага можно далеко не с сотен метров, а гораздо ближе, да и что там в салоне машины, в окне напротив... И остаться при этом совершенно безнаказанным!

 

Но все же всю природу и физику купить не получится. Законы дифракции никто не отменял и даже не купил. )))
К тому же, КПД, габариты и т.п. пока не позволяют создать портативное оружие.

 

Нууу, это смотря что считать оружием...

 

А вопрос-то был простым: каково расстояние у кого уже получилось, и каково оно могло бы получиться у внука Абрамовича?
Я на 8 метров лопал шарик без каких-то сложных оптических структур. У кого больше?