天文观测用的指星笔是什么原理?为什么激光会突然断掉?

星宇飘零2099


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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指星笔发出的是激光,但是用的的人都会发现一个现象,就是激光打在空中时长度是有限的,一段就像突然断掉一样。这是为什么呢?



就如上面的图中显示的那样,绿色的激光好似长度有限,到某个地方时突然断了一样。但其实造成这样的原因就是丁达尔效应在稀薄的大气层上空消失了而已:

图:一束激光穿过两个水杯,一个水杯中含有胶体,具有丁达尔效应,所以有光路。一个杯子是纯水,没有微小颗粒物,所以没有光路。
激光比在空中之所以有一个绿色的光柱,主要原因就是空气中有一些小颗粒物,产生了丁达尔效应,即对激光进行了散射,这样我们才看到了光路。假如空气中没有这些颗粒物,就没有散射,我们是看不到激光的光路的。要知道,真空种我们就看不到激光光路,所以太空中发射激光,我们根本看不见。





知道了这些就很好理解激光打在天空光路断了的原因了:靠近地面的大气中含有较多小颗粒,有很强的散射作用,所以我们看到了激光光路。而大气层上段空气稀薄,也没有什么颗粒物,所以丁达尔效应消失,对激光的散射消失,光路也就消失了,就像断了一样。


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所谓的指星笔其实就是激光器,其原理是原子受到特殊频率的能量激发之后,电子跃迁会释放出辐射,从而产生难以发散的强光。由于激光的光束集中,所以它能被用于精确指向,指星笔就是其中的一种应用。

另一方面,指星笔的激光照向天空时,我们可以看到光柱通到天空中的某处就会断掉。但这并非激光真的断掉了,而是激光还在,只是我们看不到激光。这种现象与丁达尔效应有关。

当光穿过介质时,如果介质中的粒子尺寸比光的波长更小数倍至数百倍之时,光就会被朝着各个方向散射,于是就会形成一条光柱,可以看到光穿过介质时产生的通路,这就是丁达尔效应。由于地球大气层中存在着不小微粒,它们的尺寸小于激光的波长,所以当激光穿过空气时就会出现丁达尔效应,从而产生光柱。

然而,随着高度的增加,大气层的密度大幅降低,那里的粒子尺寸也要小很多,所以就不会出现丁达尔效应。激光会从高层大气中直接穿过去,没有光被散射或者反射回来被我们接收到,我们就无法看到激光,这样激光看起来就像是断掉了一样。

如果地球上没有大气,并且空气中也没有其他微粒,而是完全真空的状态,当激光照向天空时,我们完全看不到光柱,即便是拿着激光的那个人也是这样。因为没有光被散射出去,观察者没有接收到光。

正因为如此,在月球上的白天看到的天空是黑色的,并且还能看到星星。但由于曝光问题,我们在月表的照片中往往看不到星空。


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其实原理就一个,激光笔在大气中形成的丁达尔现象,也就是光在胶体中的散射现象。


上兵伐谋56


指星笔就是激光笔。

只不过和普通上课用的激光笔不同,现在用的指星笔的激光能量通常更强,更加显眼,也更加危险。至于激光突然断掉,通常有两个原因,一个是发热导致的断电保护或者干脆就是烧毁了。另一则是电池能量的产生和释放速度最终跟不上激光笔发射能量的速度,导致电池暂时断电,于是激光中断。

普通观星爱好者,使用指星笔是因为它比手指头好用,你用手指着某颗星星,并不那么容易明白你到底是指哪颗星,用指星笔就好多了,毕竟激光的光束很细,当激光被空气中的杂质散射后,能留下一条明亮的光路,顺着激光的光路的方向去看夜空,误差会小很多。

图示:天文摄影中也常用指星笔进行角度校正

天文观测台为何要使用激光?

天文观测台使用激光的主要目的是对抗大气干扰,尤其是靠近地面的对流层空气的干扰,以便获得更清晰的天文图像。地球被厚厚的大气层围绕,它们不仅降低了星星的亮度,还会对星星的形状产生干扰,这种干扰非常厉害,连肉眼都可见到,正是它产生了“一闪一闪”这样的天文现象。

在经过多年探索之后,天文学家探索出一种自适应光学系统,能够自动对抗大气带来的干扰,但这套系统需要一颗足够明亮的导引星,作为修正的根据,但天空中通常缺乏这样的星,于是就有人想到了用激光人为制造一颗亮星。比如,钠激光导引星。

图示:天文观测台发出的钠激光,可在高层大气中制造一颗明亮的假星。

钠原子在受激辐射后,可以发出波长为589.2纳米的激光束,而在地球大气层约90公里高的地方,存在少量天然钠原子,当这些钠原子接收到这种波长的光波后,它们可以吸收这些光波,然后再重新释放它们,这就相当于在90公里高的地方,点燃了一盏灯,这灯将光发送到四面八方,其中一些回到地面,被天文望远镜观察到,它的亮度就足够明亮,可以作为自适应光学系统的导星使用。而且,90公里高的地方,大气层相对平静许多,这也就意味着这颗假星的位置会相对恒定,当然在实际使用过程中,还是需要用天上的恒星来对这颗假星进行校准,但这样的细节我们就略过了。

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指星笔就是激光笔。

只不过和普通上课用的激光笔不同,现在用的指星笔的激光能量通常更强,更加显眼,也更加危险。至于激光突然断掉,通常有两个原因,一个是发热导致的断电保护或者干脆就是烧毁了。另一则是电池能量的产生和释放速度最终跟不上激光笔发射能量的速度,导致电池暂时断电,于是激光中断。


普通观星爱好者,使用指星笔是因为它比手指头好用,你用手指着某颗星星,并不那么容易明白你到底是指哪颗星,用指星笔就好多了,毕竟激光的光束很细,当激光被空气中的杂质散射后,能留下一条明亮的光路,顺着激光的光路的方向去看夜空,误差会小很多。

图示:天文摄影中也常用指星笔进行角度校正


天文观测台为何要使用激光?

天文观测台使用激光的主要目的是对抗大气干扰,尤其是靠近地面的对流层空气的干扰,以便获得更清晰的天文图像。地球被厚厚的大气层围绕,它们不仅降低了星星的亮度,还会对星星的形状产生干扰,这种干扰非常厉害,连肉眼都可见到,正是它产生了“一闪一闪”这样的天文现象。

在经过多年探索之后,天文学家探索出一种自适应光学系统,能够自动对抗大气带来的干扰,但这套系统需要一颗足够明亮的导引星,作为修正的根据,但天空中通常缺乏这样的星,于是就有人想到了用激光人为制造一颗亮星。比如,钠激光导引星

图示:天文观测台发出的钠激光,可在高层大气中制造一颗明亮的假星。


钠原子在受激辐射后,可以发出波长为589.2纳米的激光束,而在地球大气层约90公里高的地方,存在少量天然钠原子,当这些钠原子接收到这种波长的光波后,它们可以吸收这些光波,然后再重新释放它们,这就相当于在90公里高的地方,点燃了一盏灯,这灯将光发送到四面八方,其中一些回到地面,被天文望远镜观察到,它的亮度就足够明亮,可以作为自适应光学系统的导星使用。而且,90公里高的地方,大气层相对平静许多,这也就意味着这颗假星的位置会相对恒定,当然在实际使用过程中,还是需要用天上的恒星来对这颗假星进行校准,但这样的细节我们就略过了。

图示:多束钠激光在高空中制造的假星。



裸猿的故事


天文观测使用的指星笔就是利用激光的特性用来指示夜空中的目标或者对目标进行较为精确的快速瞄准。

激光是英语Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER)的缩写,意思是“通过受激辐射产生的光放大”,简单说就是原子受激辐射的光,故名激光。具体原理是原子外围的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,释放的能量以光子的形式放出。

激光除了具有亮度极高、颜色极纯、能量极大等特点之外,还有一个非常有用途的特征就是定向发光,普通光源会散射,要让光朝一个指定方向传播,需要给光源装上聚光装置,使光辐射汇集起来才能向一个方向射出。而激光器发射的激光,自然就是朝一个方向射出,并且光束接近平行,即使照射到极远的地方,光斑也不会放大多少。

天文爱好者用于指星的激光器,最常用的是30mW(毫瓦)以下功率的绿色(波长515-520nm, 532nm)激光笔。因为大气层中气体分子的瑞利散射,绿色激光在夜晚使用效果最佳,所以这种激光笔常被天文学爱好者们用于指点恒星和星座,或者装在寻星镜支架上对目标进行快速的定位。绿色固体激光器很容易小型化,所以价格能够做到非常便宜,这也是天文爱好者喜爱使用的原因之一。

因为激光指星笔可以清晰的指明星星或星座位于天球上的方位,即使站在距离持指星笔很远的人也能看到所指向的目标。

除此之外,因为天文观测是户外活动,并且观测场合往往在偏远地区,容易受到野生动物或者犬类的骚扰,因为激光器发出的强烈光线不是自然界能产生的常见现象,对那些有攻击性的猎食动物来说,明亮的激光束与光斑对这些动物来说,是未知且可能危险的,所以激光笔可以对野生动物及狗类具有恐吓与干扰效应,一定程度上可以保障观测者的安全。

专业天文观测领域的大型地基光学望远镜对天观测时,大气扰动使星光波前畸变使得这些大型精密光学设备的实际分辨率大幅下降,这个问题长期困扰高精度天文观测,因此就发展出了自适应光学技术,以校正大气造成的波前畸变,使望远镜达到近衍射极限分辨率。激光钠导引星便是用激光激发海拨约90公里高空电离层中的钠原子产生人造亮星,作为自适应光学校正的信标源,这是自适应光学望远镜的核心技术之一。

至于你提到的光束看起来好像突然断掉了,那是因为激光束可以看作一根教鞭,虽然它指向无限远的目标,但这个目标位于天球上的投影是有方位的,光束就像是一条从激光器连接到目标方位的一条线段,当你从侧面观察,或者激光束到目标及你到目标的视线之间的夹角很大时,所看到光束自然不会越过天球上的目标继续延伸成无限长的光线。

另外光束是通过空气中的微尘变得更显眼的,而微尘越多,光束衰减的越快。

激光有危险,使用要当心。


听松


在真空中或者单质或者均匀的溶液中(包括空气这种均一的气态溶液),光路是不可见的。比如,用激光笔照射自来水(单质)或者盐水(溶液)就看不见光路。但是在牛奶(悬混液,胶体)中就可以形成可见的光路。这种现象叫做丁达尔效应,是胶体的一种特性。

激光的光路之所以能被看见是因为空气中的微小尘埃或水滴等颗粒形成气溶胶,产生丁达尔效应。如果空气比较干净,就看不见了。如果空气中的微粒分布不均匀,就会出现不连续的丁达尔效应,光路就会断断续续。


科学新知界


真空没有光的散射,也就是看到的光线是在大气层以内,断点处已经接近真空了


绿水青山48936175


一般的激光笔发射的是射线,高级的指星笔发射的是线段,一千以上的还能调线段长度。


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