如果您是工程师或工程专业的学生，您就会知道什么是波浪。
波是您每天使用的许多技术的重要组成部分，从无线电信号到超声成像。
但是你有没有想过当这些波离开它们开始的地方时会做什么？这就是波束扩散概念的用武之地。
波束扩散是电磁或声波束在材料中移动时远离其中心轴的角度。
了解光束传播对于设计和充分利用许多工程系统（如照明、声纳和激光）非常重要。
因此，我将在本文中讨论光束扩散及其在工程领域的重要性。
光束传播简介
正式定义：
电磁束或声束穿过材料时与中心轴的发散角。
波束扩散是电磁或声波束在穿过材料时远离其中心轴的量。
它通常以度为单位进行测量，并显示光束在一定距离处距离光源的宽度。
在工程学中，光束传播是一个重要的概念，它有助于计算光、声和无线电波的强度和方向。
照明中的光束传播
在照明中，光束扩散是一种测量来自带有反射器的光源（如灯泡）的光的距离的方法。
它测量光束的宽度，如果您想决定照射物体或表面的光量，了解这一点很重要。
根据它们的大小，反射灯有聚光灯或宽光束。
光束的宽度使点光束不同于泛光光束。
使用这个简单的公式计算给定距离的光束宽度：Beam Spread = Angle of Beam x.018 x Distance。
例如，如果您想知道 120 度泛光灯的光线从 15 英尺远可以达到多远，您只需将数字代入此公式即可。
制造商对聚光灯和泛光灯的描述通常略有不同。
了解光束传播的工作原理将有助于您为您的项目选择合适的户外灯。
对于更长的距离，传播更远的更窄的光束效果最好。
如果要使用更宽的光束灯来营造氛围，灯之间的距离应等于或大于光束传播的直径。
声波中的光束传播
波束扩散也可能发生在超声波换能器中，它被测量为远场声束主瓣与主瓣本身之间的角度。
光束发散度是另一种测量声能在远离声源时扩散的方法。
这在很大程度上取决于换能器的使用频率和尺寸。
可以使用一个小程序来粗略估计光束发散角，它是光束发散角的一半。
这是通过考虑液体或固体介质中的直径 (D)、频率 (F) 和声速 (V) 来完成的。
为什么光束扩散在工程中不是笑话
还是很难理解？让我稍微改变一下观点：
无论如何，谁需要担心像光束传播这样讨厌的事情？让你的光波或声波随心所欲地飞翔，并希望一切顺利！毕竟，在工程应用中谁需要精度或准确度，对吧？
当然，正如任何工程师或工科学生都知道的那样，这根本不是真的。
在设计和优化不同的技术时，光束扩散是需要考虑的最重要的事情之一。
但有时我们需要一点讽刺的幽默来理解像光束传播这样的概念有多么重要。
现在让我们回到解释。
影响光束传播的因素
影响电磁波和声波传播方式的因素取决于它们穿过的材料类型。
选择超声波换能器时，波束角是需要考虑的重要因素。
波束传播使反射声变小，因为声能分布在更大的区域。
换能器的频率和直径与波束的宽度有很大关系。
当使用低频换能器时，波束传播比使用高频换能器时更宽。
随着换能器直径的增加，波束传播将缩小。
当声束不扩散时，它们扩散的速率由衍射系数D决定，它与等频面的曲率有关。
换能器的选择对灵敏度、分辨率、穿透力和波束扩散有很大影响。
改变工作频率或波形的影响很小。
影响光波光束传播的因素
当光波从一种材料移动到另一种材料并改变速度和方向时，就会发生折射。
光波弯曲多少取决于它撞击表面的角度和两种材料的折射率。
折射率显示了与真空相比，材料使光减慢的程度。
当光线通过棱镜时，它会弯曲两次：一次是在进入时，一次是在它出来时。
光弯曲的程度取决于它的波长，因此不同的颜色以不同的角度弯曲。
这称为色散。
当光线穿过一块玻璃时，一部分从表面反射回来，一部分直接穿过。
有多少光被反射取决于它撞击表面的角度以及空气和玻璃如何使光弯曲。
玻璃的折射率高于空气，因此当光线从空气进入玻璃时，它会减速并向法线（垂直于表面的假想线）弯曲。
当光线从玻璃进入空气时，它会加速并偏离法线。
简而言之，波传播介质的特性以及换能器的频率和尺寸是影响电磁波和声波传播的主要因素。
折射会改变光波穿过不同材料时的速度和方向。
这会影响光波之间的距离。
了解影响光束传播的因素对于选择合适的设备并在不同的工程应用中获得所需的结果非常重要。
光束传播的用途
光束传播是许多工程应用的重要组成部分，例如照明、声纳系统、水下传感技术等。
了解光束扩散如何影响这些技术非常重要，这样您才能选择合适的设备并获得所需的结果。
照明中的光束传播
在照明中，光线从固定装置射出的角度称为光束扩散。
如果光束较宽，则可以用较少的光强度照亮更多的区域。
另一方面，较窄的光束散布会在较小的区域放置更多的光。
使用多光束扩展轨道头，可以通过移动镜头当场改变光束角度。
泛光光束扩散可用于照亮大面积区域，而点光束扩散可用于突出房间的某些部分。
不同种类的灯具有不同的光传播方式，这是出于不同的原因而制作的。
散束灯的光束模式比聚光灯更宽，聚光灯产生的光束更聚焦，可以在车辆前方传播得更远。
雾灯可以穿透道路上的雾、雨、雪或灰尘层，因为它们的水平传播范围很广，但垂直截止线很窄。
NEMA 光束传播分类系统
美国电气制造商协会 (NEMA) 提出了一种对光传播方式进行分类的方法。
该系统称为 NEMA 光束扩散。
它指的是光强度水平和垂直传播到最大光束强度的 10% 的两个边缘，并且与光输出是非常窄、非常宽还是介于两者之间的某个位置相关。
水平和垂直光束传播的角度用于区分 NEMA 类型。
标准化的 NEMA 光束角分类系统为业内每个人提供了一种一致的方法来确定灯具如何传播光线。
NEMA 命名的六种类型用于不同的事物。
通过使用具有正确 NEMA 分类的灯具，您可以为您的项目获得正确的光分布。
声纳系统中的波束传播
在声纳系统中，波束传播是指换能器发射的声波的覆盖区域。
多波束声纳以扇形模式同时发出多个声纳波束，从船底和两侧看去。
与单波束声纳相比，这可以更快、更准确地扫描更大的海床区域。
不同的频率揭示了声纳数据中不同层次的细节。
高频脉冲显示很多细节，但不能深入水中。
另一方面，低频脉冲深入水中但显示的细节较少。
水下传感技术中的光束传播
光束传播也会影响水下传感技术，例如可见光通信 (UVLC)。
UVLC 使用 450 到 550 nm 之间的频率范围，因为射频信号在海水中会更快地失去强度。
这使得人们可以在水下交谈，即使海水的温度并不总是相同的，而且船体在波浪撞击时会移动。
简而言之，光束传播是许多工程应用中需要考虑的重要因素，例如照明、声纳系统和水下感应技术。
了解光束扩散如何影响这些技术非常重要，这样您才能选择合适的设备并获得所需的结果。
在不同情况下可以使用哪些方法来控制或改变光束的传播？
光束整形和控制
光束整形和转向是许多现代设备中使用的一项重要技术，例如相机镜头和光镊。
在这种方法中，光束以不同的方式改变以获得所需的传播。
改变光束形状的一种流行方法是使用衍射光学元件 (DOE)。
DOE 可以改变光束在相位和幅度方面的传播方式，以获得所需的光束传播。
此外，全息光学镊子使用计算机制作的全息图来塑造和引导光束，从而在 3D 空间中制造陷阱。
介电超表面
介电超表面是小于波长的薄人造结构层，可以根据折射率、周期、入射角和横截面形状改变光的行为方式。
他们可以改变光束的强度、相位和偏振，从而制作出复杂的光束图案。
透镜、反射器和衍射光栅
在某些情况下，透镜、反射器或衍射光栅可用于控制光束传播的距离。
透镜可以改变光束的形状，使其更窄或更宽，反射器可以将光束转向某个方向。
衍射光栅可以将光束分成多个光束或将其弯曲成特定图案。
光圈或虹膜
通过改变开口的大小，可以使用光圈或光圈来改变光束的大小。
在摄影中，这种方法通常用于控制进入相机的光线量并获得合适的景深。
移动工件或激光
例如，当使用激光切割或焊接时，可以通过移动工件或激光来改变光束。
这种方法用于进行非常精确的切割或焊接，并控制光束传播的距离。
粒子加速器
粒子加速器可以通过多种方式控制或改变光束扩散。
这些包括注入和提取方法、光束冷却、自旋输运、极化、首圈分析、最接近调谐方法、补偿和共振以及耦合共振附近的发射率。
这些方法用于确保光束稳定、聚焦良好且位置正确。
总之，有很多方法可以控制或改变光束的传播方式，最佳方法取决于应用和需求。
重要的是选择正确的技术以获得所需的光束传播并确保应用程序正常工作。
控制和操纵光束传播的技术
光束传播是许多工程应用中的关键因素，包括照明、声纳系统和粒子加速器。
不同的应用需要不同的方法来控制或改变光束扩散。
计算光束传播
通过将光束的角度乘以常数值 0.018，然后乘以距离，您可以轻松计算出适合您的照明设计的正确光束传播。
例如，如果您想计算出安装在甲板上方 25 英尺（投射距离）处的 10° 光束的覆盖区域（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。
根据它们的大小，反射灯可以有聚光灯或泛光灯。
拥有这两种类型可为您提供更多方式来照亮您的财产。
为您的空间选择灯泡时，请考虑您想要营造什么样的氛围。
聚光灯通常是光束较窄的灯泡，例如 12°。
泛光灯或洗灯是光束较宽的灯泡，例如 60° 左右。
光束整形和控制
光束整形和转向是许多现代技术的关键部分，例如光镊和相机镜头。
透镜、镜子和光栅等光学元件用于改变光束的形状并将其引导到特定方向或将其聚焦在目标上。
该方法还用于控制介电超表面中具有不同折射率、周期、入射角和横截面形状的光束。
减少光束传播
在超声技术中，您可以通过使用高频换能器或增大换能器的直径来减小波束传播。
通过在光束中移动光学捕获的微球，可以控制光束在光流控设备中的移动方式。
粒子加速器有很多方法来控制或改变射束扩散，例如注入和提取方法、射束冷却、自旋输运、极化、首圈分析、最接近调谐法、补偿和共振以及耦合共振附近的发射率。
也有以下几种方法可以缩小光束：
使用扩束器：扩束器可用于减少光束发散，并确保在输出光束较远时光束直径不会超过一定限度。
通过使系统内部的光束变大，输入直径变大，从而使发散变小。
- 使用准直器：准直器可用于减少激光束的扩散并使其更加准直。
- 使用较小的孔径：激光束穿过的孔的大小会影响光束的距离。
大多数时候，较小的孔径会使光束扩散较少。
- 使用焦距较长的镜头：焦距较长的镜头可用于将激光束聚焦成较小的光斑，从而减少光束扩散。
重要的是要记住，这些技术可以帮助减少光束扩散，但它们只能做这么多。
此外，一些技术可能会导致其他光学像差，如球面像差，这会降低光束的质量。
仔细考虑系统的需求并选择减少波束扩散的正确方法很重要。
声束在远场传播
有几件事会影响声束在远场中的传播方式。
这些包括超声源的大小和形状、波束的频率、波束的聚焦方式以及换能器的大小或孔径。
远场
远场是光束直径比一个近区长度更远离源的区域。
换能器直径和超声频率
声束在远场传播的程度取决于换能器的大小（称为孔径）和声波的频率。
产生较高频率声音的较大直径晶体产生的光束在远场发散较小。
具有较小直径和较低频率的晶体使光束在远场非常分散。
超声源的大小和形状
波束宽度、菲涅尔区长度和近场以外的发散角都受超声源尺寸的影响。
对于未应用聚焦的换能器，菲涅耳区的长度由换能器的直径和波长决定。
光束聚焦
光束聚焦的方式也会改变它在远场中的样子。
聚焦光束可以使光束在远场扩散得更少。
另一方面，使用不聚焦光束的换能器会使光束传播得更多。
简而言之，换能器的直径或孔径、超声波的频率、超声波源的大小和形状以及波束的聚焦方式都会影响声束在其远场中的扩散程度。
通过了解这些因素，工程师和研究人员可以制造出最适合他们需求的超声系统。
波长、近场、光束扩散计算
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结论
当我们结束关于光束扩散的讨论时，值得花点时间考虑一下这个概念对工程界的深远影响。
如果您想为体育场设计照明系统、改进潜艇的声纳成像或制造用于医疗用途的激光技术，光束传播是一个非常重要的概念。
通过仔细控制和改变波在不同材料中移动时的行为方式，工程师可以比以往任何时候都更加精确和高效地工作。
因此，下次您从事工程项目时，请牢记光束传播的力量以及它如何帮助您实现目标。
只要有一点想象力和创造力，您就可以做无限的事情。
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