¿Por qué la luz incoherente no puede colimarse tan bien como la luz láser (por ejemplo, en un puntero láser)?

Question

¿Por qué un puntero láser contiene un diodo láser y no sólo un LED?

Un puntero láser contiene un diodo láser, que esencialmente emite luz coherente sobre un gran ángulo, y una lente colimadora, para tomar esa luz y enfocarla en un haz.

Si la lente colimadora funciona para los fotones coherentes procedentes de un diodo láser, ¿por qué no iba a funcionar para los fotones no coherentes procedentes de un LED? Según tengo entendido, los fotones no interactúan entre sí, por lo que no debería importarles si otros fotones cercanos están en fase con ellos o no.

Answer 1

Los emisores de luz semiconductores están hechos de este tipo de materiales, que tienen bastante índice de refracción . Esto dificulta la salida de la luz del emisor - debido a Ecuaciones de Fresnel y el bajo índice de refracción del aire.

En un láser, la luz va principalmente de un lado a otro entre dos espejos, y las reflexiones sólo ayudan al láser. Así que la luz sale de una pequeña zona en el lado de un láser, o se refleja y continúa el ciclo de láser.

En un LED, en cambio, la luz es incoherente y se emite en todas las direcciones. Sólo una parte de los fotones generados se dirige con poco ángulo a la normal de la superficie del cristal para transmitirse eficazmente al exterior. La mayoría de los demás se reflejan y es probable que acaben siendo absorbidos de nuevo, con lo que sólo se genera calor.

Para evitarlo, los cristales de los LEDs se suelen empaquetar en una lente, que actúa como amortiguador entre el índice de refracción del cristal y el aire. Pero esto también hace que el dispositivo completo sea una fuente de luz mucho más grande, por lo que la colimación de la luz que produce es considerablemente más difícil.

Los láseres, en cambio, se utilizan directamente como cristales desnudos detrás de la lente colimadora, por lo que se parecen mucho a las fuentes de luz puntuales, que pueden colimarse fácilmente.

Answer 2

La luz de un láser típico emerge en un haz extremadamente fino con muy poca divergencia. Otra forma de decir esto es que el haz está muy "colimado". Un láser de helio-neón ordinario de laboratorio puede ser barrido alrededor de la habitación y el punto rojo en la pared del fondo parece tener el mismo tamaño que el de una pared cercana.

El alto grado de colimación se debe a que la cavidad del láser tiene espejos delanteros y traseros casi paralelos que limitan el rayo láser final a una trayectoria perpendicular a dichos espejos. El espejo trasero es casi perfectamente reflectante, mientras que el espejo delantero es reflectante en un 99%, dejando salir un 1% del haz. Este 1% es el haz de salida que se ve. Pero la luz ha pasado de un lado a otro de los espejos muchas veces para ganar intensidad mediante la emisión estimulada de más fotones a la misma longitud de onda. Si la luz se desvía lo más mínimo del eje, se perderá del haz.

La cursiva es mía.

Por lo tanto, la luz láser no sólo es coherente, sino también muy colimada. Echa un vistazo a la experimento del ranger lunar

El Experimento de Medición Láser Lunar, en curso, mide la distancia entre la Tierra y la Luna mediante la medición láser. Los láseres de la Tierra se dirigen a los retrorreflectores colocados en la Luna durante el programa Apolo (11, 14 y 15) y la misión Lunakhod 2. Se mide el tiempo de retorno de la luz reflejada.

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En la superficie de la Luna, el haz tiene una anchura de unos 6,5 kilómetros y los científicos comparan la tarea de apuntar el haz con la de utilizar un rifle para dar a una moneda de diez centavos en movimiento a 3 kilómetros de distancia. La luz reflejada es demasiado débil para ser vista por el ojo humano: de cada 10^17 fotones dirigidos al reflector, sólo se recibe uno en la Tierra cada pocos segundos, incluso en buenas condiciones. Se pueden identificar como procedentes del láser porque éste es altamente monocromático.

Los rayos láser altamente colimados tienen muchas más aplicaciones que los punteros.

Editar después del comentario:

Un LED suele tener una potencia de milivatios, que se dispersa en 4pi con una caída de intensidad de 1/r^2. Un láser puntero de la misma potencia tiene todos los vatios concentrados en el haz por la producción inicial de fotones.

Se puede obtener luz coherente a partir de una fuente incoherente haciéndola pasar por una rendija, esto daría la ínfima fracción de potencia 1/r^2 para ser colimada utilizando la geometría del láser. El láser en el proceso de colimación no pierde intensidad, sino que la gana, debido a la acción del láser.

la luz ha pasado muchas veces entre los espejos para ganar intensidad mediante la emisión estimulada de más fotones

El LED tiene una contribución única al haz, y el punto final tendría órdenes de magnitud menos de intensidad en el punto que la acción concentrada del láser.

Answer 3

No lo hace, y en mi opinión no debería ser un láser. Los láseres producen una luz (1) coherente y (2) con una distribución gaussiana de la intensidad, y ambas cosas provocan fatiga visual. La coherencia provoca el moteado; la distribución gaussiana significa que el punto enfocado también es gaussiano, y tu ojo sigue intentando mejorar la PSF.

Otra razón por la que un láser es malo: es un punto muy pequeño, por lo que los movimientos típicos de la mano o los temblores hacen que el punto observado salte de forma muy molesta. Un punto de mayor tamaño se moverá un porcentaje mucho menor de su propio diámetro, lo que es mucho más fácil de manejar.

Francamente, la mayoría de los interlocutores con los que he tratado acaban utilizando cualquier tipo de puntero luminoso como OOOHH SHINY TOY! en lugar de pararse a pensar si es necesario señalar algo en primer lugar. Pero eso no es una cuestión de física.