Divergencia del haz

En electromagnetismo, especialmente en óptica, la divergencia del haz es una medida angular del aumento del diámetro o radio del haz con la distancia desde la apertura óptica o la apertura de la antena de la que emerge el haz. El término es relevante solo en el "campo lejano", lejos de cualquier foco del haz. Sin embargo, en términos prácticos, el campo lejano puede comenzar físicamente cerca de la apertura radiante, según el diámetro de la apertura y la longitud de onda operativa.

La divergencia del haz se suele utilizar para caracterizar los haces electromagnéticos en el régimen óptico, en los casos en los que la apertura de la que emerge el haz es muy grande con respecto a la longitud de onda. Sin embargo, también se utiliza en la banda de radiofrecuencia (RF) para casos en los que la antena es muy grande en relación con una longitud de onda.

La divergencia del haz generalmente se refiere a un haz de sección transversal circular, pero no necesariamente. Un haz puede, por ejemplo, tener una sección transversal elíptica, en cuyo caso debe especificarse la orientación de la divergencia del haz, por ejemplo con respecto al eje mayor o menor de la sección transversal elíptica.

La divergencia de un rayo se puede calcular si se conoce el diámetro del haz en dos puntos separados lejos de cualquier enfoque (D_i, D_f), y la distancia (l) entre estos puntos. La divergencia del haz, ${displaystyle Theta }$, se da por

${displaystyle Theta =2arctan left({frac - ¿Sí?$

Si un rayo colimado se enfoca con un objetivo, el diámetro ${displaystyle D_{m}$ de la viga en el plano focal posterior de la lente está relacionado con la divergencia del haz inicial por

${displaystyle Theta ={frac {D_{m} {f}},,}$

donde f es la distancia focal de la lente. Tenga en cuenta que esta medida es válida solo cuando el tamaño del haz se mide en el plano focal trasero de la lente, es decir, donde estaría el foco para un haz verdaderamente colimado, y no en el foco real del haz, que ocurriría detrás de la parte trasera. plano focal para un haz divergente.

Como todos los rayos electromagnéticos, los láseres están sujetos a divergencia, que se mide en miliradianes (mrad) o grados. Para muchas aplicaciones, es preferible un haz de baja divergencia. Despreciando la divergencia debida a la mala calidad del rayo, la divergencia de un rayo láser es proporcional a su longitud de onda e inversamente proporcional al diámetro del rayo en su punto más estrecho. Por ejemplo, un láser ultravioleta que emite a una longitud de onda de 308 nm tendrá una divergencia menor que un láser infrarrojo a 808 nm, si ambos tienen el mismo diámetro mínimo de haz. La divergencia de los rayos láser de buena calidad se modela utilizando las matemáticas de los rayos gaussianos.

Se dice que los rayos láser Gaussian son limitados de difracción cuando su divergencia de haz radial ${displaystyle theta =Theta /2}$ está cerca del valor mínimo posible, que se da por

${displaystyle theta ={lambda over pi w_{0}}}$

Donde ${displaystyle lambda }$ es la longitud de onda láser y ${displaystyle w_{0}$ es el radio de la viga en su punto más estrecho, que se llama "la cintura de haz". Este tipo de divergencia de haz se observa con cavidades láser optimizadas. La información sobre la difracción limitada de la divergencia de un haz coherente es inherentemente dada por la ecuación interferométrica N-slit.