天文觀測用的指星筆是什麼原理?為什麼激光會突然斷掉?

星宇飄零2099


天文觀測使用的指星筆就是利用激光的特性用來指示夜空中的目標或者對目標進行較為精確的快速瞄準。

激光是英語Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER)的縮寫,意思是“通過受激輻射產生的光放大”,簡單說就是原子受激輻射的光,故名激光。具體原理是原子外圍的電子吸收能量後從低能級躍遷到高能級,再從高能級回落到低能級的時候,釋放的能量以光子的形式放出。

激光除了具有亮度極高、顏色極純、能量極大等特點之外,還有一個非常有用途的特徵就是定向發光,普通光源會散射,要讓光朝一個指定方向傳播,需要給光源裝上聚光裝置,使光輻射彙集起來才能向一個方向射出。而激光器發射的激光,自然就是朝一個方向射出,並且光束接近平行,即使照射到極遠的地方,光斑也不會放大多少。

天文愛好者用於指星的激光器,最常用的是30mW(毫瓦)以下功率的綠色(波長515-520nm, 532nm)激光筆。因為大氣層中氣體分子的瑞利散射,綠色激光在夜晚使用效果最佳,所以這種激光筆常被天文學愛好者們用於指點恆星和星座,或者裝在尋星鏡支架上對目標進行快速的定位。綠色固體激光器很容易小型化,所以價格能夠做到非常便宜,這也是天文愛好者喜愛使用的原因之一。

因為激光指星筆可以清晰的指明星星或星座位於天球上的方位,即使站在距離持指星筆很遠的人也能看到所指向的目標。

除此之外,因為天文觀測是戶外活動,並且觀測場合往往在偏遠地區,容易受到野生動物或者犬類的騷擾,因為激光器發出的強烈光線不是自然界能產生的常見現象,對那些有攻擊性的獵食動物來說,明亮的激光束與光斑對這些動物來說,是未知且可能危險的,所以激光筆可以對野生動物及狗類具有恐嚇與干擾效應,一定程度上可以保障觀測者的安全。

專業天文觀測領域的大型地基光學望遠鏡對天觀測時,大氣擾動使星光波前畸變使得這些大型精密光學設備的實際分辨率大幅下降,這個問題長期困擾高精度天文觀測,因此就發展出了自適應光學技術,以校正大氣造成的波前畸變,使望遠鏡達到近衍射極限分辨率。激光鈉導引星便是用激光激發海撥約90公里高空電離層中的鈉原子產生人造亮星,作為自適應光學校正的信標源,這是自適應光學望遠鏡的核心技術之一。

至於你提到的光束看起來好像突然斷掉了,那是因為激光束可以看作一根教鞭,雖然它指向無限遠的目標,但這個目標位於天球上的投影是有方位的,光束就像是一條從激光器連接到目標方位的一條線段,當你從側面觀察,或者激光束到目標及你到目標的視線之間的夾角很大時,所看到光束自然不會越過天球上的目標繼續延伸成無限長的光線。

另外光束是通過空氣中的微塵變得更顯眼的,而微塵越多,光束衰減的越快。

激光有危險,使用要當心。


聽松


所謂的指星筆其實就是激光器,其原理是原子受到特殊頻率的能量激發之後,電子躍遷會釋放出輻射,從而產生難以發散的強光。由於激光的光束集中,所以它能被用於精確指向,指星筆就是其中的一種應用。

另一方面,指星筆的激光照向天空時,我們可以看到光柱通到天空中的某處就會斷掉。但這並非激光真的斷掉了,而是激光還在,只是我們看不到激光。這種現象與丁達爾效應有關。

當光穿過介質時,如果介質中的粒子尺寸比光的波長更小數倍至數百倍之時,光就會被朝著各個方向散射,於是就會形成一條光柱,可以看到光穿過介質時產生的通路,這就是丁達爾效應。由於地球大氣層中存在著不小微粒,它們的尺寸小於激光的波長,所以當激光穿過空氣時就會出現丁達爾效應,從而產生光柱。

然而,隨著高度的增加,大氣層的密度大幅降低,那裡的粒子尺寸也要小很多,所以就不會出現丁達爾效應。激光會從高層大氣中直接穿過去,沒有光被散射或者反射回來被我們接收到,我們就無法看到激光,這樣激光看起來就像是斷掉了一樣。

如果地球上沒有大氣,並且空氣中也沒有其他微粒,而是完全真空的狀態,當激光照向天空時,我們完全看不到光柱,即便是拿著激光的那個人也是這樣。因為沒有光被散射出去,觀察者沒有接收到光。

正因為如此,在月球上的白天看到的天空是黑色的,並且還能看到星星。但由於曝光問題,我們在月表的照片中往往看不到星空。


火星一號


指星筆發出的是激光,但是用的的人都會發現一個現象,就是激光打在空中時長度是有限的,一段就像突然斷掉一樣。這是為什麼呢?



就如上面的圖中顯示的那樣,綠色的激光好似長度有限,到某個地方時突然斷了一樣。但其實造成這樣的原因就是丁達爾效應在稀薄的大氣層上空消失了而已:

圖:一束激光穿過兩個水杯,一個水杯中含有膠體,具有丁達爾效應,所以有光路。一個杯子是純水,沒有微小顆粒物,所以沒有光路。
激光比在空中之所以有一個綠色的光柱,主要原因就是空氣中有一些小顆粒物,產生了丁達爾效應,即對激光進行了散射,這樣我們才看到了光路。假如空氣中沒有這些顆粒物,就沒有散射,我們是看不到激光的光路的。要知道,真空種我們就看不到激光光路,所以太空中發射激光,我們根本看不見。





知道了這些就很好理解激光打在天空光路斷了的原因了:靠近地面的大氣中含有較多小顆粒,有很強的散射作用,所以我們看到了激光光路。而大氣層上段空氣稀薄,也沒有什麼顆粒物,所以丁達爾效應消失,對激光的散射消失,光路也就消失了,就像斷了一樣。


科學探秘頻道


指星筆就是激光筆。

只不過和普通上課用的激光筆不同,現在用的指星筆的激光能量通常更強,更加顯眼,也更加危險。至於激光突然斷掉,通常有兩個原因,一個是發熱導致的斷電保護或者乾脆就是燒燬了。另一則是電池能量的產生和釋放速度最終跟不上激光筆發射能量的速度,導致電池暫時斷電,於是激光中斷。


普通觀星愛好者,使用指星筆是因為它比手指頭好用,你用手指著某顆星星,並不那麼容易明白你到底是指哪顆星,用指星筆就好多了,畢竟激光的光束很細,當激光被空氣中的雜質散射後,能留下一條明亮的光路,順著激光的光路的方向去看夜空,誤差會小很多。

圖示:天文攝影中也常用指星筆進行角度校正


天文觀測臺為何要使用激光?

天文觀測臺使用激光的主要目的是對抗大氣干擾,尤其是靠近地面的對流層空氣的干擾,以便獲得更清晰的天文圖像。地球被厚厚的大氣層圍繞,它們不僅降低了星星的亮度,還會對星星的形狀產生干擾,這種干擾非常厲害,連肉眼都可見到,正是它產生了“一閃一閃”這樣的天文現象。

在經過多年探索之後,天文學家探索出一種自適應光學系統,能夠自動對抗大氣帶來的干擾,但這套系統需要一顆足夠明亮的導引星,作為修正的根據,但天空中通常缺乏這樣的星,於是就有人想到了用激光人為製造一顆亮星。比如,鈉激光導引星。

圖示:天文觀測臺發出的鈉激光,可在高層大氣中製造一顆明亮的假星。


鈉原子在受激輻射後,可以發出波長為589.2納米的激光束,而在地球大氣層約90公里高的地方,存在少量天然鈉原子,當這些鈉原子接收到這種波長的光波後,它們可以吸收這些光波,然後再重新釋放它們,這就相當於在90公里高的地方,點燃了一盞燈,這燈將光發送到四面八方,其中一些回到地面,被天文望遠鏡觀察到,它的亮度就足夠明亮,可以作為自適應光學系統的導星使用。而且,90公里高的地方,大氣層相對平靜許多,這也就意味著這顆假星的位置會相對恆定,當然在實際使用過程中,還是需要用天上的恆星來對這顆假星進行校準,但這樣的細節我們就略過了。

圖示:多束鈉激光在高空中製造的假星。



三思逍遙


在真空中或者單質或者均勻的溶液中(包括空氣這種均一的氣態溶液),光路是不可見的。比如,用激光筆照射自來水(單質)或者鹽水(溶液)就看不見光路。但是在牛奶(懸混液,膠體)中就可以形成可見的光路。這種現象叫做丁達爾效應,是膠體的一種特性。

激光的光路之所以能被看見是因為空氣中的微小塵埃或水滴等顆粒形成氣溶膠,產生丁達爾效應。如果空氣比較乾淨,就看不見了。如果空氣中的微粒分佈不均勻,就會出現不連續的丁達爾效應,光路就會斷斷續續。


科學新知界


你說的是這個嘛




33451121


其實原理就一個,激光筆在大氣中形成的丁達爾現象,也就是光在膠體中的散射現象。


上兵伐謀56


一般的激光筆發射的是射線,高級的指星筆發射的是線段,一千以上的還能調線段長度。


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