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天文觀測用的指星筆是什么原理?為什么激光會突然斷掉?

林玟書2年前23瀏覽0評論

不要認為“指星筆”是什么特殊的天文器材,它實際上就是一根普通的激光指示器(Laserpointer)而已,是一種便攜式的“激光發生器”,由于體積和外觀近似于鋼筆或小型手電筒,故而被俗稱為“激光筆”或“激光手電”,更廣泛的用途是教學、演講及沙盤指示。

換言之,天文愛好者們只是都喜歡用一根激光筆來標記星星的位置,于是激光筆就有了“指星筆”的別稱。

值得一提的是,使用不同“工作介質”的激光筆會發出不同波長的光線,因此具有“紅、橙、綠、藍、靛”五種光色,由于670-635納米波長的紅色激光可以直接通過“激光二極管”來產生,所以紅色激光筆的制造成本是最低的,在同規格、同品質的情況下,售價往往也較低。

除此之外,合格的激光筆發出的必定是單色光,即使穿過三棱鏡也不會產生色散現象,而普通的彩色燈具發出的有色光往往是由紅、綠、藍三基色混合而成的復色光,一穿過三棱鏡就會“現形”。

指星筆一般采用綠色光線的激光筆。

激光筆的工作介質有固體(如三硼酸鋰銫晶體)和氣體(如二氧化碳)之分。綠色光線的一般都是固體激光器,主要部件有激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡。

▲固體激光筆的結構

激勵源大多為氪弧燈、碘鎢燈或鉀銣燈;固體工作介質則是非線性晶體。

將具有“受激發射”作用的金屬離子摻入晶體中,就能將激勵源產生的光能轉換為1000納米左右的近紅外激光,再經過聚光腔和諧振腔反射鏡將倍頻轉換為532納米,如此一來,發射出去的激光就成為綠色了。

采用綠色光線作為指星筆并不是光線本身有什么特殊之處,而是由于人類的肉眼對綠色光線的感知最敏感,即使是5mW(IIIA)的低功率綠色激光,在光污染較強的夜晚也能顯得十分清晰瑞利。

這就意味著你哪怕隨便買一只幾十元的廉價激光筆,只要它發出的是綠色光線,你朝天發射就必定能看見一束筆直明亮的“綠線”直指蒼穹。

由此可見,指星筆的選擇主要側重于光色,而非功率。事實上,大功率的激光筆體積也偏大,便攜性相對就變低了,主要用于有強光干擾的復雜環境中(譬如白天或明亮的展廳內),用來指星是沒有任何意義的,畢竟夜空不存在強光干擾。

并且,所有合格的激光筆發射的光束除了在強光環境下的明亮度不同之外,并沒有任何差異——無論激光指示器的功率有多大,朝天發射的光束都會在同樣的高度“忽然斷掉”,這是在“丁達爾效應”下產生的一種視覺現象。

丁達爾效應

有一件事情應該不難想到:人類的肉眼本來就無法從側面或后面看見光,因為肉眼是通過感知光子來看東西的,站在光線的側面就意味著沒有任何光子能進入我們眼睛,那我們又如何看見光呢?

我們之所以在使用激光指示器的時候,能在側面看見一條明亮的線條,是由于空氣中存在大量粒子,其中有許多粒子的直徑小于入射光的波長,于是會將光線散射到四周,當這些被散射出來的光線進入我們的眼睛時,我們就從側面“看見了”激光,這種現象就被稱為“丁達爾效應”。

從這個意義上來講,我們看見的并不是激光本身,而是激光撞到空氣粒子時發散出來的“散射光”。

然而當光線穿過大氣層之后就沒有空氣了,自然也就無法產生丁達爾效應了,故而一束朝天發射的激光,一旦穿過大氣層就必定會“忽然消失在視野中”——無論功率多高的激光都不例外。