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.

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:

$$\theta \approx -r/|f|$$ (1)

На экране это соответствует смещению:

$$R = L\theta \qquad (2)$$

что приводит к линейному увеличению наблюдаемой структуры:

$$M = L / |f| \qquad (3)$$

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.

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.

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

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. 1.
  • Hecht E. Optics. 5th Edition. Pearson, 2017. 2.
  • Goodman J. W. Introduction to Fourier Optics. 3rd Edition. Roberts & Company Publishers, 2005. 3.
  • Born M., Wolf E. Principles of Optics. 7th Edition. Cambridge University Press, 1999. 4.