Feixe colimado

Un feixe colimado de luz visible ou outra radiación electromagnética é aquel que está formado por raios paralelos e, por tanto, dispérsase minimamente ao propagarse. Un feixe de luz perfectamente colimado, sen diverxencia, non se dispersaría coa distancia, pero a existencia de difracción impide a creación dun feixe dese tipo.^[1]

A luz pode ser aproximadamente colimada por diversos procesos, por exemplo por medio dun colimador. A luz perfectamente colimada ás veces dise que está enfocada ao infinito. Así, a medida que se incrementa a distancia a un punto, os frontes de ondas esféricos fanse máis planos e próximos a ondas planas, as cales están perfectamente colimadas. A luz colimada pode encontrarse nos raios láser. A colimación tamén se observa na luz das estrelas distantes.

Outras formas de radiación electromagnética poden tamén ser colimadas. En radioloxía, os raios X están colimados para reducir o volume dos tecidos do paciente que vai ser irradiado, e para eliminar os fotóns desviados que reducen a calidade da imaxe de raios X ("néboa da película"). En escintigrafía, utilízase un colimador de raios gamma fronte a un detector para só permitir a detección dos fotóns perpendiculares á superficie.^[2]

A palabra "colimar" procede do latín collimare, que se orixinou por unha mala lectura do verbo collineare, 'dirixir en liña recta'.^[3]

A luz láser procedente de láseres de gas ou cristal está altamente colimada porque se forma nunha cavidade óptica entre dous espellos paralelos que restrinxe a luz a un camiño paralelo á superficie dos espellos.^[4] Na práctica, os láseres de gas poden usar espellos cóncavos, espellos planos ou unha combinación de ambos.^[5][6][7] A diverxencia de feixes láser de alta calidade é normalmente de menos de 1 milirradián (3,4 arcmin), e pode ser moito menor para feixes de gran diámetro. Os díodos láser emiten luz menos colimada debido á curta cavidade que teñen, e, por tanto, para obter unha maior colimación cómpre usar lentes colimadoras.

A luz sincrotrón está moi ben colimada.^[8] Orixínase ao curvar electróns relativistas (é dicir, os que se moven a velocidades relativistas) arredor dunha pista circular. Cando os electróns van a velocidades relativistas, a radiación resultante está altamente colimada, pero iso non ocorre a velocidades menores.^[9]

A luz procedente das estrelas agás o Sol chega á Terra colimada con gran precisión, porque ditas estrelas están tan lonxe que non presentan un tamaño angular detectable. Porén, debido á refracción e turbulencia na atmosfera da Terra, a luz estelar chega á superficie lixeiramente descolimada cun diámetro angular aparente duns 0,4 arcsec. Os raios directos da luz do Sol chegan á Terra descolimados medio grao, e este é o diámetro angular do Sol visto desde a Terra. Durante un eclipse solar, a luz do Sol faise cada vez máis colimada a medida que a superficie visible diminúe ata ser un crecente e finalmente un pequeno punto, producindo o fenómeno da formación de sombras nítidas e bandas de sombra.

Un espello parabólico perfecto enviará raios paralelos a un foco nun só punto. Inversamente, unha fonte de tipo puntual no foco dun espello parabólico producirá un feixe de luz colimada, creando así un colimador. Como a fonte debe ser pequena, un sistema óptico dese tipo non pode producir moita potencia óptica. Os espellos esféricos son máis fáciles de construír que os parabólicos e úsanse a miúdo para producir luz aproximadamente colimada. Moitos tipos de lentes poden tamén producir luz colimada a partir de fontes de tipo puntual.

Este principio utilízase en simuladores de voo completo, que teñen sistemas especialmente deseñados para mostrar imaxes da escena do exterior ou de "fóra-da-ventá" (Out-The-Window, OTW) aos pilotos que están na réplica da cabina dun avión.

Nas aeronaves nas que os dous pilotos están sentados un a carón do outro, se se proxectasen as imaxes da escena de "fóra-da-ventá" en fronte dos pilotos nunha pantalla, un piloto vería a vista correcta da escena pero o outro vería unha vista na que algúns obxectos da escena estarían en ángulos incorrectos.

Para evitar isto, utilízase óptica colimada no sistema de mostraxe de imaxes do simulator visual para que ambos os pilotos vexan a escena exterior a un foco distante en vez de á distancia focal dunha pantalla de proxección. Isto conséguese por medio dun sistema óptico que permite que ambos os pilotos vexan as imaxes nun espello que ten unha curvatura vertical, e dita curvatura permite que a imaxe sexa vista a un foco distante por ambos os pilotos, os cales despois ven esencialmente a mesma escena do exterior sen ningunha distorsión. Como a luz que chega ao punto ocular de ambos os pilotos faino desde diferentes ángulos do campo visual dos pilotos debido aos diferentes sistemas de proxección dispostos en semicírculo sobre os pilotos, o sistema completo de mostraxe das imaxes non pode ser considerado un sistema de mostraxe colimado, senón un sistema que usa luz colimada.

"Colimación" refírese a todos os elementos ópticos dun instrumento que están no seus eixes ópticos deseñados. Tamén se refire ao proceso de axustar un instrumento óptico para que todos os seus elementos estean nese eixe deseñado (en liña e paralelo). Con respecto aos telescopios, o termo refírese a que o eixe óptico de cada compoñente óptico debería estar centrado e paralelo, para que a luz colimada saia do ocular. A maioría dos telescopios reflectores amadores deben ser recolimados cada poucos anos para que conserven o seu rendemento óptimo. Isto pode facerse por simples métodos visuais como observar desde arriba a ensambalxe óptica sen ocular para ter a certeza de que os compoñentes están aliñados, usando un ocular de Cheshire ou coa axuda dun colimador láser simple ou autocolimador. A colimación pode tamén ser testada usando un interferómetro diferencial, que se usa a miúdo para testar a colimación láser.

"Descolimación" é calquera mecanismo ou proceso que causa que un feixe coa mínima posible diverxencia de raios diverxa ou converxa desde o paralelismo. A descolimación pode ser deliberada por razón do sistema, ou pode ser causada por moitos factores, como as inhomoxeneidades no índice de refracción, oclusións, dispersión, deflexión, difracción, reflexión e refracción. A descolimación debe terse en conta para un tratamento completo de moitos sistemas como a radio, radar, sonar e comunicacións ópticas.

• Autocolimación
• Fotografía Schlieren

• Pfister, J. & Kneedler, J.A. (s.d.). A guide to lasers in the OR.