Hallo wwlight,
danke für Deine Rückmeldung - und großer Lob dass Du es versucht hast Deine Optik auszurechnen und Dich auch selber dazu informiert hast, das ist sicherlich schon sehr viel Wert wenn Du beruflich damit zu tun hast... Dir sind jetzt Begriffe wie Strahltaille, Strahldivergenz(winkel) und ABCD-Gesetz ein Begriff und Du weißt was Du im Prinzip rechnen mußt
Du möchtest ein Rechenbeispiel - leider gibt´s hier keinen ordentlichen Formel-Editor, aber ich versuche es mal so. Ich verwende das ABCD-Gesetz zur Vergrößerung und Verkleinerung der Strahlparameter des Laserstrahls.
Stell Dir das folgende Problem vor:
Ein Laserstrahl einer Laserdiode hat laut Datenblatt einen Strahltaille von 10^(-6)*m = 1µm, die Wellenlänge des Lasers soll typischerweise dunkelrot, also bei Wellenlänge= 650 nm liegen. Der Divergenzwinkel der Laserstrahlung der Diode ist dann Theta=0.2069rad*(180/Pi)=11.854° ( Also ähnlich wie in Deinem Beispieldatenblatt ! )
Die Fokussier- oder Abbildungsoptik ist eine typische Linse der Brennweite f = 100mm = 10cm =0.1 m, die Diode befindet sich in Deinem geplanten Projektionsgerät in der "Gegenstandsweite" g = 25 cm = 0.25 m. hinter der Linse.
Du möchtest wissen:
1. Wie groß ist der Durchmesser Deines Brennflecks ?
2. Welche Divergenz hat der Strahl hinter dem Fokus ?
3. Vor allen Dingen : Wo liegt denn der Fokus? ( In welchem Abstand b hinter der Linse )
Durch die Anwendung des ABCD-Gesetzes ergibt sich folgende Abbildungsgleichung bei Anwendung auf die Strahlparameter des Laserstrahls:
(1/g)+(1/b)=(1/f)+((z[0]^2)/(g*(g^2+z[0]^2-g*f)));
Daraus ergibt sich durch Umstellung der Fokusradius:
w[f]=w[0]*(f)/(z[0]^2+(g-f));
Die "geheimnisvolle Größe" ist dabei z[0]= (w[0]^2*Pi)/(Wellenlänge) die Rayleigh-Länge des Laserstrahls, in welcher die Wellenlänge der Lichtwellen auftaucht. Das ist anders als in der geometrischen Optik. Also ist jetzt Dein Fokusradius w[f]=w[0]*(f)/(((w[0]^2*Pi)/(Wellenlänge))^2+(g-f)), der gesuchte Fokusdurchmesser d[f]=2*w[f], also:
d[f]=2*(w[0]*(f)/(((w[0]^2*Pi)/(Wellenlänge))^2+(g-f))).
Jetzt werden Die Größen in Metern eingesetzt:
d[f]=2*(10^(-6)*m*(0.1*m)/((((10^(-6)*m)^2*3.14159)/(650*10^(-9)))^2+((0.25*m)-0.1*m))), und das ergibt einen Fleck von 0.1333*10^(-5)*m=1.3µm.
Ergebnis : Dein Brennfleck ist 1.3 µm im Durchmesser.
Jetzt zu 2.: Strahldivergenz im Fernfeld .... Wie Groß ist der Winkel Theta ?
Das errechnet sich aus dem Strahlparameterprodukt, es bleibt für jede Abbildung eines Laserstrahls durch eine Optik immer gleich groß (!) :
Theta*w[f]=Wellenlänge/Pi . Umstellen nach dem Divergenzwinkel ... ergibt dann : Theta=((Wellenlänge)/(Pi*w[f])). Deinen Fokusradius hast Du ja eben schon berechnet, alle anderen Größen sind feste Größen des Laserstrahls. Die Divergenz ist dann : Theta= (650*10^(-9)*m)/((1/2)*1.33*10^(-6)*m*3.14159) = 0.1555 rad*(180/Pi)=8.913°
Ergebnis : Der Divergenzwinkel der Laserstrahlung ist 8.913°.
Jetzt zu 3.: Wo liegt der Brennpunkt = Fokus der Laserdiode ( also in welchem Abstand b von der Mitte Deiner Optik ?
Dazu wird jetzt wieder das Abbildungsgesetz, welches aus dem ABCD-Gesetz folgt
(1/g)+(1/b)=(1/f)+((z[0]^2)/(g*(g^2+z[0]^2-g*f)));
Nach der gefragten Bildweite b umgestellt ... das ergibt die Formel: b=f+(g-f)*((f^2)/((g-f)^2+z[0]^2)), mit der Rayleigh-Länge z[0]= (w[0]^2*Pi)/(Wellenlänge), so daß für die Bildweite gilt: b=f+(g-f)*((f^2)/((g-f)^2+((w[0]^2*Pi)/(Wellenlänge))^2)),
Einsetzen aller Größen ergibt jetzt: b=0.1*m+(0.25*m-0.1*m)*(((0.1*m)^2)/((0.25*m-0.1*m)^2+((((1/2)*1.33*10^(-6))^2*3.14159)/(650*10^(-9)))^2)) =
0.1666*m=16 cm. Der Brennpunkt befindet sich 16 cm. vor der Linse.
Hast Du mich so verstehen können? Ansonsten gilt : Frag´ - und es wird Tag.
Ein typisches Problem, das Du wahrscheinlich öfters hast ist, daß Du in einen Projektor eine Linse oder Optik einbauen willst die einen Laserstrahl einer Diode z.B. auf eine 30 Meter entfernte Leinwand auftreffen läßt und dieser Da als heller Lichtpunkt Figuren erzeugen soll...
Dabei ist f ( Brennweite ) und die Gegenstandsweite g ( Abstand der Diode von der Linse ) wahrscheinlich fest, da mußt Du dann anders rechnen... welche Größen dann wie sind hängt davon ab was Du machen willst... geht aber genauso.
Grüße
Undine