ПРОЕКЦИОННЫЙ МЕТОД ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ С. П. Слухаевский Аннотация. Предложен и экспериментально реализован метод прямой визуализации поперечной структуры свободно распространяющихся световых пучков. Схема состоит из отрицательной линзы, размещенной за исследуемым сечением, и удаленного экрана. В параксиальном приближении линза преобразует пространственную структуру поля в угловое распределение, проецируемое на экран с увеличением M = L / |f|. Метод обеспечивает неинвазивное наблюдение и продольное сканирование структуры поля. Экспериментально продемонстрирована визуализация тонкой пространственной структуры лазерного пучка и эволюции дифракционного поля за кромкой полуплоскости при увеличении порядка M ≈ 300. Метод может применяться в поисковых исследованиях волновых процессов и учебных практикумах по оптике. 1. ВВЕДЕНИЕ Прямое наблюдение пространственной структуры светового поля в ближней зоне дифракции и вблизи препятствий представляет значительные экспериментальные трудности. Размещение регистрирующей среды непосредственно в исследуемом сечении приводит к возмущению поля и нередко ограничивается геометрией установки. Ближнепольные методы позволяют получать информацию о локальной структуре поля, однако требуют специализированного оборудования и, как правило, ориентированы на исследование поверхностных или локализованных объектов. Для свободно распространяющихся световых пучков их применение ограничено. Стандартные схемы регистрации с использованием удаленного экрана позволяют наблюдать лишь распределение интенсивности в плоскости регистрации, не обеспечивая доступа к промежуточным сечениям пучка. Это затрудняет исследование процессов пространственного формирования интерференционных и дифракционных структур. В настоящей работе предложен проекционный метод визуализации, основанный на использовании отрицательной линзы. Метод позволяет наблюдать структуру выбранного сечения светового пучка на удаленном экране без внесения возмущений в исследуемую область и обеспечивает продольное сканирование поля вдоль направления распространения. 1 2. ПРИНЦИП МЕТОДА Экспериментальная схема включает отрицательную линзу с фокусным расстоянием f < 0 , размещенную за исследуемым сечением пучка, и экран, расположенный на расстоянии L ≫ |f| от линзы. Для параксиального пучка поперечная координата r в плоскости линзы преобразуется в угол: θ ≈ −r / |f| (1) На экране это соответствует смещению: R = Lθ (2) что приводит к линейному увеличению наблюдаемой структуры: M = L / |f| (3) При L = 15 м и f = −50 мм коэффициент увеличения составляет M = 300 . В этом случае детали характерного размера 100 мкм отображаются на экране в структуры размером около 3 см, доступные непосредственному визуальному наблюдению и фоторегистрации. Для слабо расходящихся пучков наблюдаемая картина близка к увеличенному отображению поперечной структуры распределения интенсивности. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ДЕМОНСТРАЦИЯ 3.1. Внутренняя структура лазерного пучка Метод был применен для исследования излучения полупроводникового лазера с длиной волны λ = 650 нм. При параметрах L = 15 м и f = −50 мм на удаленном экране зарегистрирована тонкая пространственная структура интенсивности, включающая локальные неоднородности и протяженные области модуляции. Полученное увеличение позволило визуализировать детали исходного распределения интенсивности размером порядка десятков микрометров. 2 Рис. 1. Пространственная структура излучения полупроводникового лазера при увеличении M=300 . Наблюдаются выраженные пространственные неоднородности распределения интенсивности. 3.2. Дифракционное поле за кромкой полуплоскости Во второй серии экспериментов исследовалось дифракционное поле за кромкой непрозрачной полуплоскости. Продольное сканирование области на расстояниях от 0 до 20 см за препятствием позволило наблюдать пространственную модуляцию интенсивности и ее постепенную трансформацию вдоль оси распространения. Метод обеспечил регистрацию структуры поля без размещения экрана непосредственно в исследуемой зоне. Полученные результаты демонстрируют возможность прямого наблюдения пространственной эволюции дифракционных распределений в ближней зоне. 3 Рис. 2. Проекционное изображение сечения лазерного пучка в области прицельного параметра при дифракции на кромке непрозрачной полуплоскости. Наблюдается пространственная структура распределения интенсивности, регистрируемая без размещения экрана в исследуемой области. 4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Предложен и экспериментально реализован проекционный метод визуализации внутренней структуры световых пучков с использованием отрицательной линзы. Показано, что метод обеспечивает прямую визуализацию выбранных сечений пучка, увеличение изображения с коэффициентом M = L / |f| , отсутствие регистрирующих элементов в исследуемой области, наблюдение структуры поля в режиме реального времени и продольное сканирование вдоль направления распространения без перестройки экспериментальной схемы. Метод успешно применен для исследования тонкой структуры лазерного пучка и пространственной эволюции дифракционного поля за кромкой препятствия. Простота реализации, использование стандартных оптических компонентов и высокая наглядность делают предложенный подход перспективным инструментом для поисковых исследований в волновой оптике, а также для учебных лабораторных работ и демонстрационных экспериментов. Предложенный подход может использоваться как самостоятельный инструмент исследования пространственной структуры световых полей, а также как 4 вспомогательный метод при изучении процессов формирования дифракционных и интерференционных картин. ЛИТЕРАТУРА Слухаевский С. П. Дифракция: Экспериментальный поиск физических механизмов формирования картины. viXra:2606.0061, 2026. Hecht E. Optics. 5th Edition. Pearson, 2017. Goodman J. W. Introduction to Fourier Optics. 3rd Edition. Roberts & Company Publishers, 2005. Born M., Wolf E. Principles of Optics. 7th Edition. Cambridge University Press, 1999. 1. 2. 3. 4. 5
ПРОЕКЦИОННЫЙ МЕТОД ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ
AbstractA method for the direct visualization of the transverse structure of freely propagating light beams is proposed and experimentally demonstrated. The optical setup consists of a negative lens positioned behind the cross-section under investigation and a distant screen. In the paraxial approximation, the lens transforms the spatial field structure into an angular distribution, which is projected onto the screen with a magnification of $M = L / |f|$. The method provides non-invasive observation and longitudinal scanning of the field structure. The visualization of the fine spatial structure of a laser beam and the evolution of the diffraction field behind a knife-edge has been experimentally demonstrated at a magnification of the order of $M \approx 300$. The proposed method can be applied in exploratory research of wave processes and in physics laboratory courses on optics.
- Слухаевский С. П. Дифракция: Экспериментальный поиск физических механизмов формирования картины. viXra:2606.0061, 2026. Hecht E. Optics. 5th Edition. Pearson, 2017. Goodman J. W. Introduction to Fourier Optics. 3rd Edition. Roberts & Company Publishers, 2005. Born M., Wolf E. Principles of Optics. 7th Edition. Cambridge University Press, 1999.