如果您是工程師或工程專業的學生，您就會知道什麼是波浪。
波是您每天使用的許多技術的重要組成部分，從無線電信號到超聲成像。
但是你有沒有想過當這些波離開它們開始的地方時會做什麼？這就是波束擴散概念的用武之地。
波束擴散是電磁或聲波束在材料中移動時遠離其中心軸的角度。
了解光束傳播對於設計和充分利用許多工程系統（如照明、聲納和激光）非常重要。
因此，我將在本文中討論光束擴散及其在工程領域的重要性。
光束傳播簡介
正式定義：
電磁束或聲束穿過材料時與中心軸的發散角。
波束擴散是電磁或聲波束在穿過材料時遠離其中心軸的量。
它通常以度為單位進行測量，並顯示光束在一定距離處距離光源的寬度。
在工程學中，光束傳播是一個重要的概念，它有助於計算光、聲和無線電波的強度和方向。
照明中的光束傳播
在照明中，光束擴散是一種測量來自帶有反射器的光源（如燈泡）的光的距離的方法。
它測量光束的寬度，如果您想決定照射物體或表面的光量，了解這一點很重要。
根據它們的大小，反射燈有聚光燈或寬光束。
光束的寬度使點光束不同於泛光光束。
使用這個簡單的公式計算給定距離的光束寬度：Beam Spread = Angle of Beam x.018 x Distance。
例如，如果您想知道 120 度泛光燈的光線從 15 英尺遠可以達到多遠，您只需將數字代入此公式即可。
製造商對聚光燈和泛光燈的描述通常略有不同。
了解光束傳播的工作原理將有助於您為您的項目選擇合適的戶外燈。
對於更長的距離，傳播更遠的更窄的光束效果最好。
如果要使用更寬的光束燈來營造氛圍，燈之間的距離應等於或大於光束傳播的直徑。
聲波中的光束傳播
波束擴散也可能發生在超聲波換能器中，它被測量為遠場聲束主瓣與主瓣本身之間的角度。
光束髮散度是另一種測量聲能在遠離聲源時擴散的方法。
這在很大程度上取決於換能器的使用頻率和尺寸。
可以使用一個小程序來粗略估計光束髮散角，它是光束髮散角的一半。
這是通過考慮液體或固體介質中的直徑 (D)、頻率 (F) 和聲速 (V) 來完成的。
為什麼光束擴散在工程中不是笑話
還是很難理解？讓我稍微改變一下觀點：
無論如何，誰需要擔心像光束傳播這樣討厭的事情？讓你的光波或聲波隨心所欲地飛翔，並希望一切順利！畢竟，在工程應用中誰需要精度或準確度，對吧？
當然，正如任何工程師或工科學生都知道的那樣，這根本不是真的。
在設計和優化不同的技術時，光束擴散是需要考慮的最重要的事情之一。
但有時我們需要一點諷刺的幽默來理解像光束傳播這樣的概念有多麼重要。
現在讓我們回到解釋。
影響光束傳播的因素
影響電磁波和聲波傳播方式的因素取決於它們穿過的材料類型。
選擇超聲波換能器時，波束角是需要考慮的重要因素。
波束傳播使反射聲變小，因為聲能分佈在更大的區域。
換能器的頻率和直徑與波束的寬度有很大關係。
當使用低頻換能器時，波束傳播比使用高頻換能器時更寬。
隨著換能器直徑的增加，波束傳播將縮小。
當聲束不擴散時，它們擴散的速率由衍射係數D決定，它與等頻面的曲率有關。
換能器的選擇對靈敏度、分辨率、穿透力和波束擴散有很大影響。
改變工作頻率或波形的影響很小。
影響光波光束傳播的因素
當光波從一種材料移動到另一種材料並改變速度和方向時，就會發生折射。
光波彎曲多少取決於它撞擊表面的角度和兩種材料的折射率。
折射率顯示了與真空相比，材料使光減慢的程度。
當光線通過棱鏡時，它會彎曲兩次：一次是在進入時，一次是在它出來時。
光彎曲的程度取決於它的波長，因此不同的顏色以不同的角度彎曲。
這稱為色散。
當光線穿過一塊玻璃時，一部分從表面反射回來，一部分直接穿過。
有多少光被反射取決於它撞擊表面的角度以及空氣和玻璃如何使光彎曲。
玻璃的折射率高於空氣，因此當光線從空氣進入玻璃時，它會減速並向法線（垂直於表面的假想線）彎曲。
當光線從玻璃進入空氣時，它會加速並偏離法線。
簡而言之，波傳播介質的特性以及換能器的頻率和尺寸是影響電磁波和聲波傳播的主要因素。
折射會改變光波穿過不同材料時的速度和方向。
這會影響光波之間的距離。
了解影響光束傳播的因素對於選擇合適的設備並在不同的工程應用中獲得所需的結果非常重要。
光束傳播的用途
光束傳播是許多工程應用的重要組成部分，例如照明、聲納系統、水下傳感技術等。
了解光束擴散如何影響這些技術非常重要，這樣您才能選擇合適的設備並獲得所需的結果。
照明中的光束傳播
在照明中，光線從固定裝置射出的角度稱為光束擴散。
如果光束較寬，則可以用較少的光強度照亮更多的區域。
另一方面，較窄的光束散佈會在較小的區域放置更多的光。
使用多光束擴展軌道頭，可以通過移動鏡頭當場改變光束角度。
泛光光束擴散可用於照亮大面積區域，而點光束擴散可用於突出房間的某些部分。
不同種類的燈具有不同的光傳播方式，這是出於不同的原因而製作的。
散束燈的光束模式比聚光燈更寬，聚光燈產生的光束更聚焦，可以在車輛前方傳播得更遠。
霧燈可以穿透道路上的霧、雨、雪或灰塵層，因為它們的水平傳播範圍很廣，但垂直截止線很窄。
NEMA 光束傳播分類系統
美國電氣製造商協會 (NEMA) 提出了一種對光傳播方式進行分類的方法。
該系統稱為 NEMA 光束擴散。
它指的是光強度水平和垂直傳播到最大光束強度的 10% 的兩個邊緣，並且與光輸出是非常窄、非常寬還是介於兩者之間的某個位置相關。
水平和垂直光束傳播的角度用於區分 NEMA 類型。
標準化的 NEMA 光束角分類系統為業內每個人提供了一種一致的方法來確定燈具如何傳播光線。
NEMA 命名的六種類型用於不同的事物。
通過使用具有正確 NEMA 分類的燈具，您可以為您的項目獲得正確的光分佈。
聲納系統中的波束傳播
在聲納系統中，波束傳播是指換能器發射的聲波的覆蓋區域。
多波束聲納以扇形模式同時發出多個聲納波束，從船底和兩側看去。
與單波束聲納相比，這可以更快、更準確地掃描更大的海床區域。
不同的頻率揭示了聲納數據中不同層次的細節。
高頻脈衝顯示很多細節，但不能深入水中。
另一方面，低頻脈衝深入水中但顯示的細節較少。
水下傳感技術中的光束傳播
光束傳播也會影響水下傳感技術，例如可見光通信 (UVLC)。
UVLC 使用 450 到 550 nm 之間的頻率範圍，因為射頻信號在海水中會更快地失去強度。
這使得人們可以在水下交談，即使海水的溫度並不總是相同的，而且船體在波浪撞擊時會移動。
簡而言之，光束傳播是許多工程應用中需要考慮的重要因素，例如照明、聲納系統和水下感應技術。
了解光束擴散如何影響這些技術非常重要，這樣您才能選擇合適的設備並獲得所需的結果。
在不同情況下可以使用哪些方法來控製或改變光束的傳播？
光束整形和控制
光束整形和轉向是許多現代設備中使用的一項重要技術，例如相機鏡頭和光鑷。
在這種方法中，光束以不同的方式改變以獲得所需的傳播。
改變光束形狀的一種流行方法是使用衍射光學元件 (DOE)。
DOE 可以改變光束在相位和幅度方面的傳播方式，以獲得所需的光束傳播。
此外，全息光學鑷子使用計算機製作的全息圖來塑造和引導光束，從而在 3D 空間中製造陷阱。
介電超表面
介電超表面是小於波長的薄人造結構層，可以根據折射率、週期、入射角和橫截面形狀改變光的行為方式。
他們可以改變光束的強度、相位和偏振，從而製作出複雜的光束圖案。
透鏡、反射器和衍射光柵
在某些情況下，透鏡、反射器或衍射光柵可用於控制光束傳播的距離。
透鏡可以改變光束的形狀，使其更窄或更寬，反射器可以將光束轉向某個方向。
衍射光柵可以將光束分成多個光束或將其彎曲成特定圖案。
光圈或虹膜
通過改變開口的大小，可以使用光圈或光圈來改變光束的大小。
在攝影中，這種方法通常用於控制進入相機的光線量並獲得合適的景深。
移動工件或激光
例如，當使用激光切割或焊接時，可以通過移動工件或激光來改變光束。
這種方法用於進行非常精確的切割或焊接，並控制光束傳播的距離。
粒子加速器
粒子加速器可以通過多種方式控製或改變光束擴散。
這些包括注入和提取方法、光束冷卻、自旋輸運、極化、首圈分析、最接近調諧方法、補償和共振以及耦合共振附近的發射率。
這些方法用於確保光束穩定、聚焦良好且位置正確。
總之，有很多方法可以控製或改變光束的傳播方式，最佳方法取決於應用和需求。
重要的是選擇正確的技術以獲得所需的光束傳播並確保應用程序正常工作。
控制和操縱光束傳播的技術
光束傳播是許多工程應用中的關鍵因素，包括照明、聲納系統和粒子加速器。
不同的應用需要不同的方法來控製或改變光束擴散。
計算光束傳播
通過將光束的角度乘以常數值 0.018，然後乘以距離，您可以輕鬆計算出適合您的照明設計的正確光束傳播。
例如，如果您想計算出安裝在甲板上方 25 英尺（投射距離）處的 10° 光束的覆蓋區域（光斑大小），您可以使用以下公式：10° x 0.018 x 25 英尺 = 4.5英尺。
根據它們的大小，反射燈可以有聚光燈或泛光燈。
擁有這兩種類型可為您提供更多方式來照亮您的財產。
為您的空間選擇燈泡時，請考慮您想要營造什麼樣的氛圍。
聚光燈通常是光束較窄的燈泡，例如 12°。
泛光燈或洗燈是光束較寬的燈泡，例如 60° 左右。
光束整形和轉向
光束整形和轉向是許多現代技術的關鍵部分，例如光鑷和相機鏡頭。
透鏡、鏡子和光柵等光學元件用於改變光束的形狀並將其引導到特定方向或將其聚焦在目標上。
該方法還用於控制介電超表面中具有不同折射率、週期、入射角和橫截面形狀的光束。
減少光束傳播
在超聲技術中，您可以通過使用高頻換能器或增大換能器的直徑來減小波束傳播。
通過在光束中移動光學捕獲的微球，可以控制光束在光流控設備中的移動方式。
粒子加速器有很多方法來控製或改變射束擴散，例如注入和提取方法、射束冷卻、自旋輸運、極化、首圈分析、最接近調諧法、補償和共振以及耦合共振附近的發射率。
也有以下幾種方法可以縮小光束：
使用擴束器：擴束器可用於減少光束髮散，並確保在輸出光束較遠時光束直徑不會超過一定限度。
通過使系統內部的光束變大，輸入直徑變大，從而使發散變小。
- 使用准直器：准直器可用於減少激光束的擴散並使其更加准直。
- 使用較小的孔徑：激光束穿過的孔的大小會影響光束的距離。
大多數時候，較小的孔徑會使光束擴散較少。
- 使用焦距較長的鏡頭：焦距較長的鏡頭可用於將激光束聚焦成較小的光斑，從而減少光束擴散。
重要的是要記住，這些技術可以幫助減少光束擴散，但它們只能做這麼多。
此外，一些技術可能會導致其他光學像差，如球面像差，這會降低光束的質量。
仔細考慮系統的需求並選擇減少波束擴散的正確方法很重要。
聲束在遠場傳播
有幾件事會影響聲束在遠場中的傳播方式。
這些包括超聲源的大小和形狀、波束的頻率、波束的聚焦方式以及換能器的大小或孔徑。
遠場
遠場是光束直徑比一個近區長度更遠離源的區域。
換能器直徑和超聲頻率
聲束在遠場傳播的程度取決於換能器的大小（稱為孔徑）和聲波的頻率。
產生較高頻率聲音的較大直徑晶體產生的光束在遠場發散較小。
具有較小直徑和較低頻率的晶體使光束在遠場非常分散。
超聲源的大小和形狀
波束寬度、菲涅爾區長度和近場以外的發散角都受超聲源尺寸的影響。
對於未應用聚焦的換能器，菲涅耳區的長度由換能器的直徑和波長決定。
光束聚焦
光束聚焦的方式也會改變它在遠場中的樣子。
聚焦光束可以使光束在遠場擴散得更少。
另一方面，使用不聚焦光束的換能器會使光束傳播得更多。
簡而言之，換能器的直徑或孔徑、超聲波的頻率、超聲波源的大小和形狀以及波束的聚焦方式都會影響聲束在其遠場中的擴散程度。
通過了解這些因素，工程師和研究人員可以製造出最適合他們需求的超聲系統。
波長、近場、光束擴散計算
提示：如果需要，請打開字幕按鈕。如果您不熟悉口語，請在設置按鈕中選擇“自動翻譯”。在您最喜歡的語言可供翻譯之前，您可能需要先點擊視頻的語言。
結論
當我們結束關於光束擴散的討論時，值得花點時間考慮一下這個概念對工程界的深遠影響。
如果您想為體育場設計照明系統、改進潛艇的聲納成像或製造用於醫療用途的激光技術，光束傳播是一個非常重要的概念。
通過仔細控制和改變波在不同材料中移動時的行為方式，工程師可以比以往任何時候都更加精確和高效地工作。
因此，下次您從事工程項目時，請牢記光束傳播的力量以及它如何幫助您實現目標。
只要有一點想像力和創造力，您就可以做無限的事情。
分享…
