光束是基本上在一个方向上传播的光(定向光),同时在垂直于其光束方向的方向上具有有限的空间延伸。通常,它具有大致圆形的横截面,但没有精确的空间限制。
平面波也沿一定方向传播,但没有有限的横向空间延伸,因此不被视为光束。
光束在自然界中偶尔会遇到,但在技术光学和光子学中发挥着许多重要作用——尤其是激光束形式。这些最适合自由空间光通信、成像或材料处理等应用。许多光学技术和设备仅适用于光束,不适用于其他形式的光。
光束通常被认为是均匀透明介质中的光束——例如,空气或真空中的自由空间光束。然而,它们的特性可能会被保留,例如,当射到镜子或棱镜时,基本上只是将光发送到一个新的方向。它们也可以用其他类型的光学元件进行操作——例如,用于重新聚焦的透镜、用于修改其光谱特性的滤光片、用于调制光功率和偏振等特性的光学调制器,以及用于将它们分成两个或更多光束的分束器。
仅当部分光向该光散射时,眼睛才能在其覆盖体积之外看到光束——例如,由于空气中密度波动的尘埃颗粒。通常,光检测器只能检测进入它的光,而不能检测通过它的光。
与光束相比,光线是射线光学中使用的更抽象的概念,也称为几何光学。它们没有横向延伸。光束有时被描述为光线束。
光束的特性
光束的特定属性是空间属性,此外还有其他形式的光也会遇到的其他光属性。后者的例子是光频率和光带宽、光功率和偏振。其中一些属性可能会沿着光束发生变化;例如,光功率可以通过介质中的吸收或散射而逐渐减小。
具有圆形横截面的光束的特征在于通常在传播期间改变的光束半径。在足够长的距离上,它必须由于衍射而增加,因为光是一种波动现象(→ 波动光学)。然而,光束半径可能会在到达具有最小值的光束焦点(或束腰)之前开始减小。远场光束半径的增加与光束发散有关。光束实际上可以有两个不同的焦点位置,例如 x 和 y 方向;这称为散光。
束腰半径和发散角共同决定了光束的光束质量,本质上是衡量光束聚焦程度的指标,与空间相干性有关。
一种特殊的光束是高斯光束,具有高斯幅度分布和平坦或抛物线相位分布。与那些相比,多模光束具有更复杂的空间特性。
光束的产生
光束通常由激光器(或主振荡器功率放大器等类似设备)产生,因此称为激光束。
非激光光源(例如白炽灯或气体放电灯)通常以非光束的空间形式发射光。然而,人们可以从这种光中形成光束。例如,可以将白炽灯的灯丝放在抛物面镜的焦点上,以便准直光(或至少其总功率的某个重要部分),即,将其发送到基本的一个方向,例如允许用于对某些物体进行更可控的照明。
激光束和非激光束之间的一个显着区别是前者通常表现出更高的光束质量。此外,激光的许多其他特性与其他光源发出的光有很大不同。