Коллимация

Коллима́ция — формирование упорядоченного потока светового или иного электромагнитного излучения в пространстве^[1]. Образованный в результате этого коллимированный пучок — поток тонких, параллельно идущих лучей, распространяющийся в однородной среде с низкой расходимостью, то есть, таким образом, чтобы радиус пучка незначительно изменялся на расстоянии его распространения. В случае Гауссова пучка это означает, что длина Рэлея должна быть больше, чем предполагаемое расстояние распространения пучка^[2]. Типичным примером коллимированного пучка света является лазерный луч: его угол расходимости может быть получен близким к минимальному пределу, определяемому дифракцией^[3].

Идеально коллимированный световой луч с нулевой расходимостью должен иметь строго постоянный радиус пучка и распространяться в пространстве без рассеяния. Существование явления дифракции запрещает создание идеально коллимированного луча, однако, например, расходимость лазерного луча может быть пренебрежимо мала^[4]. Иногда говорят, что идеально коллимированный световой луч сфокусирован на бесконечности^[5]. Таким образом, волновой фронт идеально коллимированного светового луча приобретает форму плоской волны^[6].

Коллимация, как правило, производится при помощи специального устройства — коллиматора, обычно состоящего из фокусирующей линзы или параболического зеркала и точечного источника света, размещённого в фокальной плоскости линзы или зеркала.

Лучи, исходящие от удалённых источников света (таких, как звёзды), принято считать параллельными^[7][8], а сами эти источники приравнивают к точечным^[9]. Поэтому при конструировании телескопических систем, предназначенных для наблюдения за удалёнными объектами, их фокусные расстояния устанавливают равными бесконечности^[10]. Для обычной линзы источник света считается бесконечно удалённым, а сам поток — коллимированным, если расстояние от источника до линзы больше 30 фокусных расстояний этой линзы^[11].

С точки зрения оптики, для оценки величины удалённых объектов линейные размеры неприменимы, вместо этого используют угловой размер. Величиной предмета в таком случае называют угол между оптической осью телескопической системы и крайней наблюдаемой точкой объекта^[12]. Чем меньше угловой размер объекта, тем сильнее коллимирован пучок света, исходящий от него. Угловой диаметр самой большой по видимому размеру звезды (не считая Солнца) — R Золотой Рыбы — составляет 0,057 ± 0,005 угловой секунды^[13].

Лазерные источники излучения генерируют хорошо коллимированные пучки лучей благодаря многократным отражениям света внутри оптического резонатора. Типичным примером является резонатор Фабри-Перо, состоящий из двух плоских или сферических зеркал, расположенных параллельно друг другу^[14]. Такой тип резонаторов создаёт пучок света с высокой степенью коллимированности, поскольку от обоих зеркал будут отражаться только фотоны, движущиеся вдоль оптической оси резонатора^[15]. Наименьшей расходимостью пучка, а следовательно, наивысшей его коллимированностью, обладают газовые лазеры^[16]. Полупроводниковые лазеры, напротив, обладают высокой расходимостью излучения, её неодинаковостью в разных плоскостях и её разбросом в лазерах одного типа^[17].

Синхротронное излучение чрезвычайно высоко коллимированно в направлении его распространения^[18], однако это справедливо только когда электроны движутся на высоких скоростях^[19]. Высокая коллимированность этого излучения позволяет проводить с его помощью высокоточные исследования краёв полос поглощения и невалентных электронов^[англ.]. Эта особенность синхротронного излучения также применяется при его использовании в рентгеновской литографии для производства различных микроструктур — таких, как модули памяти и интегральные схемы^[18].

Вогнутое сферическое или параболическое зеркало отражает пучок лучей, параллельных главной оптической оси, в точке своего фокуса^[20]. Напротив, если в точку фокуса вогнутого сферического зеркала поместить точечный источник, то пучок расходящихся от него лучей после отражения от зеркала станет параллельным, то есть, коллимированным. Таким образом устроен простейший коллиматор. Однако, данная конструкция применяется, как правило, для коллимации света лишь от небольших источников света — например, светодиодов^[21].

Аналогичным образом коллимированный пучок лучей можно получить при помощи собирающей линзы. Если поместить в точку её фокуса точечный источник, то исходящие из него лучи будут преобразованы линзой в параллельный коллимированный пучок лучей^[22][23], причём такой коллиматор может использоваться для получения коллимированного света с постоянной фазой и амплитудой^[23].

Коллимированный луч применяется в сцинтиграфии (когда орган тела обследуется с применением рентгеноконтрастного вещества) и при лучевой терапии.

Коллимация также применяется к пучку частиц^[англ.] и является обязательной частью любого ускорителя заряженных частиц, включая Большой адронный коллайдер^[24]. Исторически коллимация использовалась в ускорителях частиц для снижения радиационного фона. Современные ускорители требуют наличие сложных систем коллимации для очистки пучка частиц и защиты оборудования в связи с работой на высоких уровнях мощности, а также из-за высокого уровня светимости ускорителей. Использование подходящих коллиматоров позволяет аккумулировать потери в заранее подготовленных местах, тем самым минимизируя влияние радиации на оборудование и людей^[25].

• Коллиматор