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天文观测用的指星笔是什么原理?为什么激光会突然断掉?

 思明居士 2022-07-02 发表于河北

不要认为“指星笔”是什么特殊的天文器材,它实际上就是一根普通的激光指示器(Laser pointer)而已,是一种便携式的“激光发生器”,由于体积和外观近似于钢笔或小型手电筒,故而被俗称为“激光笔”或“激光手电”,更广泛的用途是教学、演讲及沙盘指示。

换言之,天文爱好者们只是都喜欢用一根激光笔来标记星星的位置,于是激光笔就有了“指星笔”的别称。

值得一提的是,使用不同“工作介质”的激光笔会发出不同波长的光线,因此具有“红、橙、绿、蓝、靛”五种光色,由于670-635纳米波长的红色激光可以直接通过“激光二极管”来产生,所以红色激光笔的制造成本是最低的,在同规格、同品质的情况下,售价往往也较低。

除此之外,合格的激光笔发出的必定是单色光,即使穿过三棱镜也不会产生色散现象,而普通的彩色灯具发出的有色光往往是由红、绿、蓝三基色混合而成的复色光,一穿过三棱镜就会“现形”。

指星笔一般采用绿色光线的激光笔。

激光笔的工作介质有固体(如三硼酸锂铯晶体)和气体(如二氧化碳)之分。绿色光线的一般都是固体激光器,主要部件有激励源聚光腔谐振腔反射镜。

▲固体激光笔的结构

激励源大多为氪弧灯、碘钨灯或钾铷灯;固体工作介质则是非线性晶体。

将具有“受激发射”作用的金属离子掺入晶体中,就能将激励源产生的光能转换为1000纳米左右的近红外激光,再经过聚光腔和谐振腔反射镜将倍频转换为532纳米,如此一来,发射出去的激光就成为绿色了。

采用绿色光线作为指星笔并不是光线本身有什么特殊之处,而是由于人类的肉眼对绿色光线的感知最敏感,即使是5mW(IIIA)的低功率绿色激光,在光污染较强的夜晚也能显得十分清晰瑞利。

这就意味着你哪怕随便买一只几十元的廉价激光笔,只要它发出的是绿色光线,你朝天发射就必定能看见一束笔直明亮的“绿线”直指苍穹。

由此可见,指星笔的选择主要侧重于光色,而非功率。事实上,大功率的激光笔体积也偏大,便携性相对就变低了,主要用于有强光干扰的复杂环境中(譬如白天或明亮的展厅内),用来指星是没有任何意义的,毕竟夜空不存在强光干扰。

并且,所有合格的激光笔发射的光束除了在强光环境下的明亮度不同之外,并没有任何差异——无论激光指示器的功率有多大,朝天发射的光束都会在同样的高度“忽然断掉”,这是在“丁达尔效应”下产生的一种视觉现象。

丁达尔效应

有一件事情应该不难想到:人类的肉眼本来就无法从侧面或后面看见光,因为肉眼是通过感知光子来看东西的,站在光线的侧面就意味着没有任何光子能进入我们眼睛,那我们又如何看见光呢?

我们之所以在使用激光指示器的时候,能在侧面看见一条明亮的线条,是由于空气中存在大量粒子,其中有许多粒子的直径小于入射光的波长,于是会将光线散射到四周,当这些被散射出来的光线进入我们的眼睛时,我们就从侧面“看见了”激光,这种现象就被称为“丁达尔效应”。

从这个意义上来讲,我们看见的并不是激光本身,而是激光撞到空气粒子时发散出来的“散射光”。

然而当光线穿过大气层之后就没有空气了,自然也就无法产生丁达尔效应了,故而一束朝天发射的激光,一旦穿过大气层就必定会“忽然消失在视野中”——无论功率多高的激光都不例外。

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