IPhO 1979 · Theory problem 3
Laser location of the Moon
During the Soviet-French experiment on the optical location of the Moon the light pulse of a ruby laser (\(\lambda=0{,}69\,\mu\mathrm{m}\)) was directed to the Moon’s surface by the telescope with a diameter of the mirror \(D=2{,}6\,\mathrm{m}\). The reflector on the Moon’s surface reflected the light backward as an ideal mirror with the diameter \(d=20\,\mathrm{cm}\). The reflected light was then collected by the same telescope and focused at the photodetector.
1) What must the accuracy to direct the telescope optical axis be in this experiment?
2) What part of emitted laser energy can be detected after reflection on the Moon, if we neglect the light loses in the Earth’s atmosphere?
3) Can we see a reflected light pulse with naked eye if the energy of single laser pulse \(E=1\,\mathrm{J}\) and the threshold sensitivity of eye is equal \(n=100\) light quantum?
4) Suppose the Moon’s surface reflects \(\alpha=10\%\) of the incident light in the spatial angle \(2\pi\) steradian, estimate the advantage of a using reflector.
The distance from the Earth to the Moon is \(L=380000\,\mathrm{km}\). The diameter of pupil of the eye is \(d_p=5\,\mathrm{mm}\). Plank constant is \(h=6.6\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}\).
Official English text of the problem.
Answers
The numerical results below assume uniform coherent illumination of the circular telescope aperture, a centered reflector, and ideal collection.
-
Pointing accuracy of order \[ \boxed{\delta\theta\lesssim 3\times10^{-7}\,\mathrm{rad}\approx0.06''}. \]
-
The fraction collected by the telescope is \[ \boxed{\eta=\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4 \approx5.9\times10^{-12}}. \]
-
No. The unaided eye receives approximately \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76\ \text{photons}<100}. \]
-
Relative to diffuse reflection from the entire illuminated lunar patch, the reflector increases the received energy by approximately \[ \boxed{G\approx1.0\times10^7}. \]
The elementary approximation of uniformly illuminated diffraction spots gives \(\eta\approx10^{-12}\), \(N_{\rm eye}\approx12\), and \(G\approx1.7\times10^6\). The distinction comes from the diffraction intensity profile, as explained below.
Solution
We take \[ \lambda=6.9\times10^{-7}\,\mathrm m,\qquad L=3.8\times10^8\,\mathrm m,\qquad c=3.0\times10^8\,\mathrm{m\,s^{-1}}. \] We neglect atmospheric absorption, optical losses, and detector inefficiency. The laser fills the telescope aperture coherently, and the reflector is centered in the outgoing beam.
1) Required pointing accuracy
A finite aperture produces diffraction. For an aperture of diameter \(a\), the characteristic angular spread is \[ \theta\sim\frac{\lambda}{a}. \] For a uniformly illuminated circular aperture, the first dark ring occurs at \[ \theta_1=1.22\frac{\lambda}{a}. \]
For the transmitting telescope, \[ \frac{\lambda}{D} =\frac{6.9\times10^{-7}}{2.6} =2.65\times10^{-7}\,\mathrm{rad} =0.0547''. \] The first-dark-ring angle is \(3.24\times10^{-7}\,\mathrm{rad}=0.0668''\).
The corresponding central diffraction spot on the Moon has radius \[ r_1=L\theta_1\approx123\,\mathrm m, \] much larger than the reflector’s radius \(0.10\,\mathrm m\).
A pointing error \(\delta\theta\) moves the beam center by \(L\delta\theta\). To keep the reflector in the central diffraction spot, this displacement must be smaller than roughly \(10^2\,\mathrm m\). Thus \[ \boxed{\delta\theta\lesssim3\times10^{-7}\,\mathrm{rad} \approx0.06''}. \] For nearly maximal return, the pointing error should be appreciably smaller than this characteristic width.
2) Fraction of laser energy collected after reflection
Diffraction occurs twice: first at the transmitting telescope and then at the lunar reflector.
To retain the circular-aperture numerical factor, consider a uniformly illuminated aperture of area \(A\). In the far field, the contributions from all parts of the aperture arrive in phase on its axis. The Huygens–Fresnel formula gives the axial field amplitude, apart from an overall phase, as \[ u(0,L)=\frac{u_0A}{i\lambda L}. \] Because the transmitted energy is proportional to \(|u_0|^2A\), the axial energy per unit area, or fluence, is \[ \boxed{\mathcal F(0,L)=\frac{EA}{\lambda^2L^2}}. \] Consequently, a small receiving aperture of area \(B\), centered on the axis, intercepts the fraction \[ \frac{E_B}{E}\approx\frac{AB}{\lambda^2L^2}. \]
Here the telescope and reflector areas are \[ A_D=\frac{\pi D^2}{4}=5.31\,\mathrm{m^2}, \qquad A_d=\frac{\pi d^2}{4}=3.14\times10^{-2}\,\mathrm{m^2}. \] The reflector is tiny compared with the outgoing diffraction spot, so the incident fluence is essentially constant across it. The fraction reaching it is therefore \[ f_{\rm out} =\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
The illuminated reflector acts as a coherent aperture of diameter \(d\). Its returning diffraction pattern has first-dark-ring radius \[ r_{\rm return}=1.22\frac{\lambda L}{d} \approx1.60\times10^3\,\mathrm m. \] The telescope is tiny compared with this pattern, so the same central-fluence calculation applies: \[ f_{\rm back} =\frac{A_dA_D}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
Multiplying the two fractions, \[ \eta=f_{\rm out}f_{\rm back} =\left(\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2}\right)^2 =\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4. \] Thus \[ \boxed{\eta=5.9\times10^{-12}}. \]
3) Visibility to the naked eye
The returning fluence is essentially uniform over both the telescope aperture and the much smaller pupil. The energy entering an unaided eye is therefore \[ E_{\rm eye} =E\eta\frac{A_p}{A_D} =E\eta\left(\frac{d_p}{D}\right)^2. \] Substitution gives \[ E_{\rm eye} =(1)(5.89\times10^{-12}) \left(\frac{0.005}{2.6}\right)^2 =2.18\times10^{-17}\,\mathrm J. \]
The energy of one photon is \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6\times10^{-34})(3.0\times10^8)} {6.9\times10^{-7}} =2.87\times10^{-19}\,\mathrm J. \] Hence \[ N_{\rm eye} =\frac{E_{\rm eye}}{\varepsilon_\gamma} \approx75.9. \]
Since \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76<100}, \] the pulse does not meet the stated naked-eye visibility threshold, even under these ideal assumptions.
Uniform, in-phase illumination maximizes the axial fluence for a fixed aperture and transmitted energy. Thus an illumination profile giving a lower central intensity would not improve this conclusion.
4) Advantage over reflection from the lunar surface
For the requested estimate, suppose the diffusely reflected energy \(\alpha E\) is distributed uniformly over \(2\pi\) steradians. The receiving telescope subtends the solid angle \[ \Omega_D\approx\frac{A_D}{L^2}. \] The fraction of the emitted energy collected from the diffuse surface is \[ \eta_{\rm diffuse} =\alpha\frac{\Omega_D}{2\pi} =\frac{\alpha A_D}{2\pi L^2} =\frac{\alpha D^2}{8L^2}. \] Numerically, \[ \eta_{\rm diffuse} =\frac{0.10(2.6)^2}{8(3.8\times10^8)^2} =5.85\times10^{-19}. \] This includes reflection from the whole illuminated lunar patch.
The reflector’s advantage is therefore \[ G=\frac{\eta}{\eta_{\rm diffuse}} =\frac{5.89\times10^{-12}}{5.85\times10^{-19}} \approx1.01\times10^7. \] Thus \[ \boxed{G\approx10^7}. \]
Elementary diffraction-spot approximation
A simpler estimate treats each beam as uniformly spread over a disk of radius \[ r\approx\frac{\lambda L}{a}, \] where \(a\) is the emitting aperture diameter. It gives \[ r_{\rm Moon}\approx101\,\mathrm m,\qquad r_{\rm Earth}\approx1311\,\mathrm m. \] Taking the intercepted energy fractions as area ratios then yields \[ \eta_{\rm spot} \approx \frac{(d/2)^2}{r_{\rm Moon}^2} \frac{(D/2)^2}{r_{\rm Earth}^2} = \left(\frac{Dd}{2\lambda L}\right)^4 =9.7\times10^{-13}. \] The corresponding results are \[ N_{\rm eye,spot}\approx12,\qquad G_{\rm spot}\approx1.7\times10^6. \]
This is a useful elementary estimate. The circular-aperture calculation gives a larger return because the actual diffraction pattern is centrally peaked, and both receiving apertures sample its central region.
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1979 · Theorieaufgabe 3
Laserentfernungsmessung zum Mond
Bei dem sowjetisch-französischen Experiment zur optischen Entfernungsmessung zum Mond wurde der Lichtimpuls eines Rubinlasers (\(\lambda=0{,}69\,\mu\mathrm{m}\)) mit einem Teleskop mit dem Spiegeldurchmesser \(D=2{,}6\,\mathrm{m}\) auf die Mondoberfläche gerichtet. Der Reflektor auf der Mondoberfläche warf das Licht wie ein idealer Spiegel mit dem Durchmesser \(d=20\,\mathrm{cm}\) zurück. Das reflektierte Licht wurde anschließend von demselben Teleskop aufgefangen und auf den Photodetektor fokussiert.
1) Mit welcher Genauigkeit muss die optische Achse des Teleskops bei diesem Experiment ausgerichtet werden?
2) Welcher Anteil der ausgesandten Laserenergie kann nach der Reflexion am Mond nachgewiesen werden, wenn die Lichtverluste in der Erdatmosphäre vernachlässigt werden?
3) Kann man einen reflektierten Lichtimpuls mit bloßem Auge sehen, wenn die Energie eines einzelnen Laserimpulses \(E=1\,\mathrm{J}\) beträgt und die Empfindlichkeitsschwelle des Auges bei \(n=100\) Lichtquanten liegt?
4) Angenommen, die Mondoberfläche reflektiert \(\alpha=10\%\) des einfallenden Lichts in den Raumwinkel \(2\pi\) Steradiant. Schätzen Sie den Vorteil ab, den die Verwendung eines Reflektors bietet.
Die Entfernung von der Erde zum Mond beträgt \(L=380000\,\mathrm{km}\). Der Pupillendurchmesser des Auges beträgt \(d_p=5\,\mathrm{mm}\). Die Planck-Konstante beträgt \(h=6.6\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}\).
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Die folgenden Zahlenwerte setzen eine gleichmäßige kohärente Ausleuchtung der kreisförmigen Teleskopöffnung, einen zentrierten Reflektor und eine ideale Lichtsammlung voraus.
-
Die erforderliche Ausrichtungsgenauigkeit liegt in der Größenordnung \[ \boxed{\delta\theta\lesssim 3\times10^{-7}\,\mathrm{rad}\approx0.06''}. \]
-
Der vom Teleskop aufgefangene Anteil beträgt \[ \boxed{\eta=\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4 \approx5.9\times10^{-12}}. \]
-
Nein. Das bloße Auge empfängt ungefähr \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76\ \text{Photonen}<100}. \]
-
Gegenüber der diffusen Reflexion an der gesamten beleuchteten Mondfläche erhöht der Reflektor die empfangene Energie ungefähr um den Faktor \[ \boxed{G\approx1.0\times10^7}. \]
Die elementare Näherung gleichmäßig ausgeleuchteter Beugungsflecken liefert \(\eta\approx10^{-12}\), \(N_{\rm eye}\approx12\) und \(G\approx1.7\times10^6\). Der Unterschied ergibt sich aus dem Intensitätsprofil des Beugungsbildes, wie im Folgenden erläutert wird.
Lösung
Wir verwenden \[ \lambda=6.9\times10^{-7}\,\mathrm m,\qquad L=3.8\times10^8\,\mathrm m,\qquad c=3.0\times10^8\,\mathrm{m\,s^{-1}}. \] Wir vernachlässigen die Absorption in der Atmosphäre, optische Verluste und eine unvollständige Nachweiseffizienz des Detektors. Der Laser leuchtet die Teleskopöffnung kohärent aus, und der Reflektor befindet sich im Zentrum des ausgesandten Strahls.
1) Erforderliche Ausrichtungsgenauigkeit
Eine endliche Öffnung verursacht Beugung. Für eine Öffnung mit dem Durchmesser \(a\) beträgt die charakteristische Winkelaufweitung \[ \theta\sim\frac{\lambda}{a}. \] Bei einer gleichmäßig ausgeleuchteten kreisförmigen Öffnung liegt der erste dunkle Ring bei \[ \theta_1=1.22\frac{\lambda}{a}. \]
Für das sendende Teleskop gilt \[ \frac{\lambda}{D} =\frac{6.9\times10^{-7}}{2.6} =2.65\times10^{-7}\,\mathrm{rad} =0.0547''. \] Der Winkel zum ersten dunklen Ring beträgt \(3.24\times10^{-7}\,\mathrm{rad}=0.0668''\).
Der entsprechende zentrale Beugungsfleck auf dem Mond hat den Radius \[ r_1=L\theta_1\approx123\,\mathrm m, \] der viel größer als der Radius des Reflektors von \(0.10\,\mathrm m\) ist.
Ein Ausrichtungsfehler \(\delta\theta\) verschiebt das Strahlzentrum um \(L\delta\theta\). Damit der Reflektor innerhalb des zentralen Beugungsflecks bleibt, muss diese Verschiebung kleiner als ungefähr \(10^2\,\mathrm m\) sein. Somit gilt \[ \boxed{\delta\theta\lesssim3\times10^{-7}\,\mathrm{rad} \approx0.06''}. \] Für ein nahezu maximales Rücksignal sollte der Ausrichtungsfehler deutlich kleiner als diese charakteristische Winkelbreite sein.
2) Anteil der nach der Reflexion aufgefangenen Laserenergie
Beugung tritt zweimal auf: zunächst am sendenden Teleskop und dann am Reflektor auf dem Mond.
Um den Zahlenfaktor für die kreisförmige Öffnung beizubehalten, betrachten wir eine gleichmäßig ausgeleuchtete Öffnung mit der Fläche \(A\). Im Fernfeld treffen die Beiträge aller Teile der Öffnung auf ihrer Achse phasengleich ein. Die Huygens-Fresnel-Formel liefert für die Feldamplitude auf der Achse, bis auf einen gemeinsamen Phasenfaktor, \[ u(0,L)=\frac{u_0A}{i\lambda L}. \] Da die ausgesandte Energie proportional zu \(|u_0|^2A\) ist, beträgt die Energie pro Flächeneinheit auf der Achse, auch Fluenz genannt, \[ \boxed{\mathcal F(0,L)=\frac{EA}{\lambda^2L^2}}. \] Eine kleine Empfangsöffnung mit der Fläche \(B\), deren Mittelpunkt auf der Achse liegt, fängt folglich den Anteil \[ \frac{E_B}{E}\approx\frac{AB}{\lambda^2L^2} \] auf.
Hier betragen die Flächen von Teleskopöffnung und Reflektor \[ A_D=\frac{\pi D^2}{4}=5.31\,\mathrm{m^2}, \qquad A_d=\frac{\pi d^2}{4}=3.14\times10^{-2}\,\mathrm{m^2}. \] Der Reflektor ist im Vergleich zum Beugungsfleck des ausgesandten Strahls winzig, sodass die einfallende Fluenz über seine Fläche praktisch konstant ist. Der Anteil, der ihn erreicht, beträgt daher \[ f_{\rm out} =\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
Der beleuchtete Reflektor wirkt wie eine kohärent ausgeleuchtete Öffnung mit dem Durchmesser \(d\). Im Beugungsbild des zurücklaufenden Strahls hat der erste dunkle Ring den Radius \[ r_{\rm return}=1.22\frac{\lambda L}{d} \approx1.60\times10^3\,\mathrm m. \] Das Teleskop ist im Vergleich zu diesem Beugungsbild winzig, sodass dieselbe Berechnung mit der Fluenz im Zentrum anwendbar ist: \[ f_{\rm back} =\frac{A_dA_D}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
Die Multiplikation der beiden Anteile ergibt \[ \eta=f_{\rm out}f_{\rm back} =\left(\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2}\right)^2 =\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4. \] Somit gilt \[ \boxed{\eta=5.9\times10^{-12}}. \]
3) Sichtbarkeit mit bloßem Auge
Die Fluenz des zurückkehrenden Lichts ist sowohl über die Teleskopöffnung als auch über die viel kleinere Pupille praktisch gleichmäßig. Die in ein unbewaffnetes Auge eintretende Energie beträgt daher \[ E_{\rm eye} =E\eta\frac{A_p}{A_D} =E\eta\left(\frac{d_p}{D}\right)^2. \] Einsetzen ergibt \[ E_{\rm eye} =(1)(5.89\times10^{-12}) \left(\frac{0.005}{2.6}\right)^2 =2.18\times10^{-17}\,\mathrm J. \]
Die Energie eines Photons beträgt \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6\times10^{-34})(3.0\times10^8)} {6.9\times10^{-7}} =2.87\times10^{-19}\,\mathrm J. \] Daraus folgt \[ N_{\rm eye} =\frac{E_{\rm eye}}{\varepsilon_\gamma} \approx75.9. \]
Da \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76<100}, \] erreicht der Impuls selbst unter diesen idealen Annahmen nicht die angegebene Schwelle für die Sichtbarkeit mit bloßem Auge.
Eine gleichmäßige, phasengleiche Ausleuchtung maximiert bei vorgegebener Öffnung und ausgesandter Energie die Fluenz auf der Achse. Ein Ausleuchtungsprofil mit geringerer Intensität im Zentrum würde daher zu keinem günstigeren Ergebnis führen.
4) Vorteil gegenüber der Reflexion an der Mondoberfläche
Für die geforderte Abschätzung nehmen wir an, dass die diffus reflektierte Energie \(\alpha E\) gleichmäßig über \(2\pi\) Steradiant verteilt ist. Das empfangende Teleskop nimmt den Raumwinkel \[ \Omega_D\approx\frac{A_D}{L^2} \] ein. Der Anteil der ausgesandten Energie, der nach diffuser Reflexion an der Oberfläche aufgefangen wird, beträgt \[ \eta_{\rm diffuse} =\alpha\frac{\Omega_D}{2\pi} =\frac{\alpha A_D}{2\pi L^2} =\frac{\alpha D^2}{8L^2}. \] Numerisch ergibt sich \[ \eta_{\rm diffuse} =\frac{0.10(2.6)^2}{8(3.8\times10^8)^2} =5.85\times10^{-19}. \] Dies umfasst die Reflexion an der gesamten beleuchteten Mondfläche.
Der Vorteil des Reflektors beträgt daher \[ G=\frac{\eta}{\eta_{\rm diffuse}} =\frac{5.89\times10^{-12}}{5.85\times10^{-19}} \approx1.01\times10^7. \] Somit gilt \[ \boxed{G\approx10^7}. \]
Elementare Näherung mit Beugungsflecken
Eine einfachere Abschätzung behandelt jeden Strahl als gleichmäßig über eine Kreisscheibe mit dem Radius \[ r\approx\frac{\lambda L}{a}, \] verteilt, wobei \(a\) der Durchmesser der sendenden Öffnung ist. Sie liefert \[ r_{\rm Moon}\approx101\,\mathrm m,\qquad r_{\rm Earth}\approx1311\,\mathrm m. \] Setzt man die aufgefangenen Energieanteile als Flächenverhältnisse an, erhält man \[ \eta_{\rm spot} \approx \frac{(d/2)^2}{r_{\rm Moon}^2} \frac{(D/2)^2}{r_{\rm Earth}^2} = \left(\frac{Dd}{2\lambda L}\right)^4 =9.7\times10^{-13}. \] Die entsprechenden Ergebnisse lauten \[ N_{\rm eye,spot}\approx12,\qquad G_{\rm spot}\approx1.7\times10^6. \]
Dies ist eine nützliche elementare Abschätzung. Die Berechnung für die kreisförmige Öffnung ergibt ein stärkeres Rücksignal, weil das tatsächliche Beugungsbild ein Intensitätsmaximum im Zentrum aufweist und beide Empfangsöffnungen Licht aus seinem zentralen Bereich aufnehmen.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1979 · Teori sorusu 3
Ay'ın lazerle konumunun belirlenmesi
Ay'ın optik yöntemle konumunun belirlenmesine yönelik Sovyet-Fransız deneyinde, bir yakut lazerinin (\(\lambda=0{,}69\,\mu\mathrm{m}\)) ışık darbesi, ayna çapı \(D=2{,}6\,\mathrm{m}\) olan bir teleskopla Ay yüzeyine yönlendirildi. Ay yüzeyindeki yansıtıcı, çapı \(d=20\,\mathrm{cm}\) olan ideal bir ayna gibi ışığı geriye yansıttı. Yansıyan ışık daha sonra aynı teleskopla toplandı ve fotodedektör üzerine odaklandı.
1) Bu deneyde teleskobun optik eksenini yönlendirme hassasiyeti ne olmalıdır?
2) Dünya atmosferindeki ışık kayıplarını ihmal edersek, yayılan lazer enerjisinin ne kadarlık bir bölümü Ay'dan yansıdıktan sonra algılanabilir?
3) Tek bir lazer darbesinin enerjisi \(E=1\,\mathrm{J}\) ve gözün algılama eşiği \(n=100\) ışık kuantumu ise, yansıyan bir ışık darbesini çıplak gözle görebilir miyiz?
4) Ay yüzeyinin, üzerine düşen ışığın \(\alpha=10\%\) kadarını \(2\pi\) steradyanlık katı açı içine yansıttığını varsayarak, yansıtıcı kullanmanın sağladığı avantajı tahmin edin.
Dünya ile Ay arasındaki uzaklık \(L=380000\,\mathrm{km}\)'dir. Göz bebeğinin çapı \(d_p=5\,\mathrm{mm}\)'dir. Planck sabiti \(h=6.6\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}\)'dir.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
Aşağıdaki sayısal sonuçlarda dairesel teleskop açıklığının düzgün ve eşevreli biçimde aydınlatıldığı, yansıtıcının merkezde bulunduğu ve ışığın ideal biçimde toplandığı varsayılmıştır.
-
Yönlendirme hassasiyeti şu mertebede olmalıdır: \[ \boxed{\delta\theta\lesssim 3\times10^{-7}\,\mathrm{rad}\approx0.06''}. \]
-
Teleskop tarafından toplanan enerji oranı şöyledir: \[ \boxed{\eta=\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4 \approx5.9\times10^{-12}}. \]
-
Hayır. Çıplak göze ulaşan foton sayısı yaklaşık olarak \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76\ \text{foton}<100}. \]
-
Aydınlatılan Ay yüzeyi bölgesinin tamamından gelen dağınık yansımaya kıyasla yansıtıcı, alınan enerjiyi yaklaşık olarak şu katsayıyla artırır: \[ \boxed{G\approx1.0\times10^7}. \]
Kırınım lekelerinin düzgün aydınlatıldığını kabul eden temel yaklaşım, \(\eta\approx10^{-12}\), \(N_{\rm eye}\approx12\) ve \(G\approx1.7\times10^6\) sonuçlarını verir. Aradaki fark, aşağıda açıklandığı gibi, kırınım şiddet profilinden kaynaklanır.
Çözüm
Şu değerleri alıyoruz: \[ \lambda=6.9\times10^{-7}\,\mathrm m,\qquad L=3.8\times10^8\,\mathrm m,\qquad c=3.0\times10^8\,\mathrm{m\,s^{-1}}. \] Atmosferik soğurmayı, optik kayıpları ve dedektörün verimsizliğini ihmal ediyoruz. Lazer, teleskop açıklığını eşevreli biçimde doldurur ve yansıtıcı, giden demetin merkezindedir.
1) Gerekli yönlendirme hassasiyeti
Sonlu bir açıklık kırınıma yol açar. Çapı \(a\) olan bir açıklık için karakteristik açısal yayılma \[ \theta\sim\frac{\lambda}{a} \] şeklindedir. Düzgün aydınlatılan dairesel bir açıklık için ilk karanlık halka şu açıda oluşur: \[ \theta_1=1.22\frac{\lambda}{a}. \]
Işığı gönderen teleskop için \[ \frac{\lambda}{D} =\frac{6.9\times10^{-7}}{2.6} =2.65\times10^{-7}\,\mathrm{rad} =0.0547''. \] İlk karanlık halkanın açısı \(3.24\times10^{-7}\,\mathrm{rad}=0.0668''\)'dir.
Buna karşılık gelen, Ay üzerindeki merkezi kırınım lekesinin yarıçapı \[ r_1=L\theta_1\approx123\,\mathrm m, \] olup yansıtıcının \(0.10\,\mathrm m\) olan yarıçapından çok daha büyüktür.
\(\delta\theta\) büyüklüğündeki bir yönlendirme hatası, demetin merkezini \(L\delta\theta\) kadar kaydırır. Yansıtıcının merkezi kırınım lekesi içinde kalması için bu yer değiştirme kabaca \(10^2\,\mathrm m\)'den küçük olmalıdır. Dolayısıyla \[ \boxed{\delta\theta\lesssim3\times10^{-7}\,\mathrm{rad} \approx0.06''}. \] Geri dönen enerjinin maksimuma yakın olması için yönlendirme hatası bu karakteristik genişlikten belirgin ölçüde küçük olmalıdır.
2) Lazer enerjisinin yansımadan sonra toplanan oranı
Kırınım iki kez gerçekleşir: önce ışığı gönderen teleskopta, ardından Ay'daki yansıtıcıda.
Dairesel açıklığa ait sayısal çarpanı korumak için, alanı \(A\) olan düzgün aydınlatılmış bir açıklık ele alalım. Uzak alanda, açıklığın tüm kısımlarından gelen katkılar açıklığın eksenine aynı fazda ulaşır. Huygens–Fresnel formülü, ortak bir faz çarpanı dışında, eksen üzerindeki alan genliğini şöyle verir: \[ u(0,L)=\frac{u_0A}{i\lambda L}. \] Gönderilen enerji \(|u_0|^2A\) ile orantılı olduğundan, eksen üzerinde birim alan başına düşen enerji, yani flüans, şöyledir: \[ \boxed{\mathcal F(0,L)=\frac{EA}{\lambda^2L^2}}. \] Dolayısıyla, eksen üzerinde merkezlenmiş, alanı \(B\) olan küçük bir alıcı açıklığın yakaladığı enerji oranı \[ \frac{E_B}{E}\approx\frac{AB}{\lambda^2L^2} \] olur.
Burada teleskobun ve yansıtıcının alanları şöyledir: \[ A_D=\frac{\pi D^2}{4}=5.31\,\mathrm{m^2}, \qquad A_d=\frac{\pi d^2}{4}=3.14\times10^{-2}\,\mathrm{m^2}. \] Yansıtıcı, giden demetin kırınım lekesine kıyasla çok küçüktür; bu nedenle üzerine düşen flüans, yüzeyi boyunca hemen hemen sabittir. Dolayısıyla ona ulaşan enerji oranı \[ f_{\rm out} =\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6} \] olur.
Aydınlatılan yansıtıcı, çapı \(d\) olan eşevreli bir açıklık gibi davranır. Geri dönen ışığın kırınım desenindeki ilk karanlık halkanın yarıçapı \[ r_{\rm return}=1.22\frac{\lambda L}{d} \approx1.60\times10^3\,\mathrm m \] olur. Teleskop bu desene kıyasla çok küçük olduğundan merkezdeki flüansa dayanan aynı hesap geçerlidir: \[ f_{\rm back} =\frac{A_dA_D}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
İki oranı çarparsak \[ \eta=f_{\rm out}f_{\rm back} =\left(\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2}\right)^2 =\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4 \] elde ederiz. Böylece \[ \boxed{\eta=5.9\times10^{-12}}. \]
3) Çıplak gözle görünürlük
Geri dönen ışığın flüansı, hem teleskop açıklığı hem de ondan çok daha küçük olan göz bebeği boyunca hemen hemen düzgündür. Bu nedenle çıplak göze giren enerji \[ E_{\rm eye} =E\eta\frac{A_p}{A_D} =E\eta\left(\frac{d_p}{D}\right)^2 \] olur. Değerler yerine konulduğunda \[ E_{\rm eye} =(1)(5.89\times10^{-12}) \left(\frac{0.005}{2.6}\right)^2 =2.18\times10^{-17}\,\mathrm J \] elde edilir.
Bir fotonun enerjisi \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6\times10^{-34})(3.0\times10^8)} {6.9\times10^{-7}} =2.87\times10^{-19}\,\mathrm J \] olur. Buradan \[ N_{\rm eye} =\frac{E_{\rm eye}}{\varepsilon_\gamma} \approx75.9 \] bulunur.
\[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76<100}, \] olduğundan, bu ideal varsayımlar altında bile darbe, belirtilen çıplak gözle görünürlük eşiğine ulaşmaz.
Düzgün ve aynı fazlı aydınlatma, sabit bir açıklık ve gönderilen enerji için eksen üzerindeki flüansı en büyük yapar. Dolayısıyla merkezde daha düşük şiddet veren bir aydınlatma profili bu sonucu iyileştirmez.
4) Ay yüzeyinden yansımaya göre avantaj
İstenen tahmin için, dağınık yansıyan \(\alpha E\) enerjisinin \(2\pi\) steradyana düzgün olarak dağıldığını varsayalım. Alıcı teleskobun kapladığı katı açı \[ \Omega_D\approx\frac{A_D}{L^2} \] olur. Yayılan enerjinin, dağınık yansıtıcı yüzeyden toplanan oranı \[ \eta_{\rm diffuse} =\alpha\frac{\Omega_D}{2\pi} =\frac{\alpha A_D}{2\pi L^2} =\frac{\alpha D^2}{8L^2} \] olur. Sayısal olarak \[ \eta_{\rm diffuse} =\frac{0.10(2.6)^2}{8(3.8\times10^8)^2} =5.85\times10^{-19}. \] Bu, aydınlatılan Ay yüzeyi bölgesinin tamamından gelen yansımayı içerir.
Dolayısıyla yansıtıcının sağladığı avantaj \[ G=\frac{\eta}{\eta_{\rm diffuse}} =\frac{5.89\times10^{-12}}{5.85\times10^{-19}} \approx1.01\times10^7 \] olur. Böylece \[ \boxed{G\approx10^7}. \]
Temel kırınım lekesi yaklaşımı
Daha basit bir tahminde, her demetin yarıçapı \[ r\approx\frac{\lambda L}{a}, \] olan bir disk üzerine düzgün yayıldığı kabul edilir; burada \(a\), ışığı yayan açıklığın çapıdır. Bu yaklaşım \[ r_{\rm Moon}\approx101\,\mathrm m,\qquad r_{\rm Earth}\approx1311\,\mathrm m \] sonuçlarını verir. Yakalanan enerji oranları alan oranları olarak alındığında \[ \eta_{\rm spot} \approx \frac{(d/2)^2}{r_{\rm Moon}^2} \frac{(D/2)^2}{r_{\rm Earth}^2} = \left(\frac{Dd}{2\lambda L}\right)^4 =9.7\times10^{-13} \] elde edilir. Buna karşılık gelen sonuçlar şöyledir: \[ N_{\rm eye,spot}\approx12,\qquad G_{\rm spot}\approx1.7\times10^6. \]
Bu, yararlı bir temel tahmindir. Dairesel açıklık hesabı daha büyük bir geri dönüş enerjisi verir; çünkü gerçek kırınım deseninin şiddeti merkezde en yüksektir ve her iki alıcı açıklık da desenin merkezi bölgesinden ışık toplar.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1979 · Problema teórico 3
Localización de la Luna mediante láser
Durante el experimento soviético-francés de localización óptica de la Luna, el pulso luminoso de un láser de rubí (\(\lambda=0{,}69\,\mu\mathrm{m}\)) se dirigió hacia la superficie lunar mediante un telescopio cuyo espejo tenía un diámetro \(D=2{,}6\,\mathrm{m}\). El reflector situado en la superficie lunar devolvió la luz como un espejo ideal de diámetro \(d=20\,\mathrm{cm}\). La luz reflejada fue recogida por el mismo telescopio y enfocada sobre el fotodetector.
1) ¿Cuál debe ser la precisión de apuntamiento del eje óptico del telescopio en este experimento?
2) ¿Qué fracción de la energía emitida por el láser puede detectarse tras la reflexión en la Luna, si se desprecian las pérdidas de luz en la atmósfera terrestre?
3) ¿Podemos ver un pulso de luz reflejada a simple vista si la energía de un solo pulso láser es \(E=1\,\mathrm{J}\) y el umbral de sensibilidad del ojo es igual a \(n=100\) cuantos de luz?
4) Suponiendo que la superficie lunar refleja \(\alpha=10\%\) de la luz incidente en un ángulo sólido de \(2\pi\) estereorradianes, estime la ventaja de utilizar un reflector.
La distancia de la Tierra a la Luna es \(L=380000\,\mathrm{km}\). El diámetro de la pupila del ojo es \(d_p=5\,\mathrm{mm}\). La constante de Planck es \(h=6.6\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
Los resultados numéricos que se presentan a continuación suponen una iluminación coherente y uniforme de la abertura circular del telescopio, un reflector centrado y una recogida ideal de la luz.
-
Una precisión de apuntamiento del orden de \[ \boxed{\delta\theta\lesssim 3\times10^{-7}\,\mathrm{rad}\approx0.06''}. \]
-
La fracción recogida por el telescopio es \[ \boxed{\eta=\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4 \approx5.9\times10^{-12}}. \]
-
No. El ojo sin ayuda de instrumentos recibe aproximadamente \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76\ \text{fotones}<100}. \]
-
En comparación con la reflexión difusa de toda la zona lunar iluminada, el reflector aumenta la energía recibida en un factor aproximado de \[ \boxed{G\approx1.0\times10^7}. \]
La aproximación elemental de manchas de difracción uniformemente iluminadas da \(\eta\approx10^{-12}\), \(N_{\rm eye}\approx12\) y \(G\approx1.7\times10^6\). La diferencia se debe al perfil de intensidad de difracción, como se explica a continuación.
Solución
Tomamos \[ \lambda=6.9\times10^{-7}\,\mathrm m,\qquad L=3.8\times10^8\,\mathrm m,\qquad c=3.0\times10^8\,\mathrm{m\,s^{-1}}. \] Despreciamos la absorción atmosférica, las pérdidas ópticas y la ineficiencia del detector. El láser ilumina de forma coherente toda la abertura del telescopio, y el reflector está centrado en el haz de ida.
1) Precisión de apuntamiento requerida
Una abertura finita produce difracción. Para una abertura de diámetro \(a\), la divergencia angular característica es \[ \theta\sim\frac{\lambda}{a}. \] Para una abertura circular uniformemente iluminada, el primer anillo oscuro aparece en \[ \theta_1=1.22\frac{\lambda}{a}. \]
Para el telescopio emisor, \[ \frac{\lambda}{D} =\frac{6.9\times10^{-7}}{2.6} =2.65\times10^{-7}\,\mathrm{rad} =0.0547''. \] El ángulo del primer anillo oscuro es \(3.24\times10^{-7}\,\mathrm{rad}=0.0668''\).
La mancha central de difracción correspondiente en la Luna tiene un radio \[ r_1=L\theta_1\approx123\,\mathrm m, \] mucho mayor que el radio del reflector, \(0.10\,\mathrm m\).
Un error de apuntamiento \(\delta\theta\) desplaza el centro del haz una distancia \(L\delta\theta\). Para mantener el reflector dentro de la mancha central de difracción, este desplazamiento debe ser menor que aproximadamente \(10^2\,\mathrm m\). Por tanto, \[ \boxed{\delta\theta\lesssim3\times10^{-7}\,\mathrm{rad} \approx0.06''}. \] Para que la energía de retorno sea casi máxima, el error de apuntamiento debe ser apreciablemente menor que esta anchura característica.
2) Fracción de la energía del láser recogida tras la reflexión
La difracción se produce dos veces: primero en el telescopio emisor y después en el reflector lunar.
Para conservar el factor numérico correspondiente a una abertura circular, consideremos una abertura uniformemente iluminada de área \(A\). En el campo lejano, las contribuciones de todas las partes de la abertura llegan en fase a su eje. La fórmula de Huygens–Fresnel da la amplitud del campo sobre el eje, salvo una fase global, como \[ u(0,L)=\frac{u_0A}{i\lambda L}. \] Como la energía transmitida es proporcional a \(|u_0|^2A\), la energía por unidad de área sobre el eje, o fluencia, es \[ \boxed{\mathcal F(0,L)=\frac{EA}{\lambda^2L^2}}. \] En consecuencia, una pequeña abertura receptora de área \(B\), centrada en el eje, intercepta la fracción \[ \frac{E_B}{E}\approx\frac{AB}{\lambda^2L^2}. \]
En este caso, las áreas del telescopio y del reflector son \[ A_D=\frac{\pi D^2}{4}=5.31\,\mathrm{m^2}, \qquad A_d=\frac{\pi d^2}{4}=3.14\times10^{-2}\,\mathrm{m^2}. \] El reflector es muy pequeño en comparación con la mancha de difracción del haz de ida, por lo que la fluencia incidente es prácticamente constante en toda su superficie. Por tanto, la fracción que lo alcanza es \[ f_{\rm out} =\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
El reflector iluminado actúa como una abertura coherente de diámetro \(d\). En su patrón de difracción de retorno, el radio del primer anillo oscuro es \[ r_{\rm return}=1.22\frac{\lambda L}{d} \approx1.60\times10^3\,\mathrm m. \] El telescopio es muy pequeño en comparación con este patrón, por lo que se aplica el mismo cálculo de la fluencia central: \[ f_{\rm back} =\frac{A_dA_D}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
Multiplicando las dos fracciones, \[ \eta=f_{\rm out}f_{\rm back} =\left(\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2}\right)^2 =\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4. \] Por tanto, \[ \boxed{\eta=5.9\times10^{-12}}. \]
3) Visibilidad a simple vista
La fluencia de retorno es prácticamente uniforme tanto sobre la abertura del telescopio como sobre la pupila, mucho más pequeña. Por tanto, la energía que entra en un ojo sin ayuda de instrumentos es \[ E_{\rm eye} =E\eta\frac{A_p}{A_D} =E\eta\left(\frac{d_p}{D}\right)^2. \] Sustituyendo los valores se obtiene \[ E_{\rm eye} =(1)(5.89\times10^{-12}) \left(\frac{0.005}{2.6}\right)^2 =2.18\times10^{-17}\,\mathrm J. \]
La energía de un fotón es \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6\times10^{-34})(3.0\times10^8)} {6.9\times10^{-7}} =2.87\times10^{-19}\,\mathrm J. \] De ahí que \[ N_{\rm eye} =\frac{E_{\rm eye}}{\varepsilon_\gamma} \approx75.9. \]
Puesto que \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76<100}, \] el pulso no alcanza el umbral de visibilidad a simple vista indicado, ni siquiera bajo estas hipótesis ideales.
Una iluminación uniforme y en fase maximiza la fluencia sobre el eje para una abertura y una energía transmitida dadas. Por tanto, un perfil de iluminación que produzca una intensidad central menor no mejoraría esta conclusión.
4) Ventaja respecto a la reflexión en la superficie lunar
Para la estimación solicitada, supongamos que la energía reflejada de forma difusa \(\alpha E\) se distribuye uniformemente en \(2\pi\) estereorradianes. El telescopio receptor subtiende el ángulo sólido \[ \Omega_D\approx\frac{A_D}{L^2}. \] La fracción de la energía emitida que se recoge de la superficie difusora es \[ \eta_{\rm diffuse} =\alpha\frac{\Omega_D}{2\pi} =\frac{\alpha A_D}{2\pi L^2} =\frac{\alpha D^2}{8L^2}. \] Numéricamente, \[ \eta_{\rm diffuse} =\frac{0.10(2.6)^2}{8(3.8\times10^8)^2} =5.85\times10^{-19}. \] Esto incluye la reflexión de toda la zona lunar iluminada.
Por tanto, la ventaja del reflector es \[ G=\frac{\eta}{\eta_{\rm diffuse}} =\frac{5.89\times10^{-12}}{5.85\times10^{-19}} \approx1.01\times10^7. \] Por tanto, \[ \boxed{G\approx10^7}. \]
Aproximación elemental mediante manchas de difracción
Una estimación más sencilla considera que cada haz se distribuye uniformemente sobre un disco de radio \[ r\approx\frac{\lambda L}{a}, \] donde \(a\) es el diámetro de la abertura emisora. Se obtiene \[ r_{\rm Moon}\approx101\,\mathrm m,\qquad r_{\rm Earth}\approx1311\,\mathrm m. \] Tomando las fracciones de energía interceptadas como cocientes de áreas, se obtiene entonces \[ \eta_{\rm spot} \approx \frac{(d/2)^2}{r_{\rm Moon}^2} \frac{(D/2)^2}{r_{\rm Earth}^2} = \left(\frac{Dd}{2\lambda L}\right)^4 =9.7\times10^{-13}. \] Los resultados correspondientes son \[ N_{\rm eye,spot}\approx12,\qquad G_{\rm spot}\approx1.7\times10^6. \]
Esta es una estimación elemental útil. El cálculo para una abertura circular da una energía de retorno mayor porque el patrón real de difracción presenta un máximo central, y ambas aberturas receptoras recogen luz de su región central.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1979 · 理论题 3
月球激光测距
在苏法合作开展的月球光学测距实验中,利用反射镜直径为 \(D=2{,}6\,\mathrm{m}\) 的望远镜,将红宝石激光器(\(\lambda=0{,}69\,\mu\mathrm{m}\))发出的光脉冲射向月球表面。月球表面的反射器如同直径为 \(d=20\,\mathrm{cm}\) 的理想反射镜,将光反射回来。随后,同一架望远镜收集反射光,并将其聚焦到光电探测器上。
1) 在这个实验中,望远镜光轴的指向精度必须达到多少?
2) 如果忽略光在地球大气中的损耗,激光发射能量中有多大比例能在月球反射后被探测到?
3) 如果单个激光脉冲的能量为 \(E=1\,\mathrm{J}\),而人眼的灵敏度阈值为 \(n=100\) 个光量子,能否用肉眼看到反射回来的光脉冲?
4) 假设月球表面将入射光的 \(\alpha=10\%\) 反射到 \(2\pi\) 球面度的立体角内,估算使用反射器的增益。
地球到月球的距离为 \(L=380000\,\mathrm{km}\)。人眼瞳孔直径为 \(d_p=5\,\mathrm{mm}\)。普朗克常量为 \(h=6.6\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}\)。
题目译自官方英文原文。
答案
以下数值结果假定圆形望远镜孔径受到均匀相干照明,反射器位于光束中心,且光的收集过程是理想的。
-
指向精度应达到如下量级: \[ \boxed{\delta\theta\lesssim 3\times10^{-7}\,\mathrm{rad}\approx0.06''}. \]
-
望远镜收集到的能量比例为 \[ \boxed{\eta=\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4 \approx5.9\times10^{-12}}. \]
-
不能。 肉眼接收到的光子数约为 \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76\ \text{个光子}<100}. \]
-
相对于整个受照月面区域的漫反射,使用反射器使接收到的能量增大约 \[ \boxed{G\approx1.0\times10^7}. \]
采用衍射光斑内光照均匀的初等近似,可得 \(\eta\approx10^{-12}\)、\(N_{\rm eye}\approx12\) 和 \(G\approx1.7\times10^6\)。这一差别源于衍射强度分布,下文将作说明。
解答
取 \[ \lambda=6.9\times10^{-7}\,\mathrm m,\qquad L=3.8\times10^8\,\mathrm m,\qquad c=3.0\times10^8\,\mathrm{m\,s^{-1}}. \] 忽略大气吸收、光学损耗以及探测器效率不足造成的损失。激光以相干方式充满望远镜孔径,反射器位于出射光束的中心。
1) 所需的指向精度
有限孔径会产生衍射。对于直径为 \(a\) 的孔径,其特征发散角为 \[ \theta\sim\frac{\lambda}{a}. \] 对于均匀照明的圆孔,第一暗环的位置为 \[ \theta_1=1.22\frac{\lambda}{a}. \]
对于发射望远镜, \[ \frac{\lambda}{D} =\frac{6.9\times10^{-7}}{2.6} =2.65\times10^{-7}\,\mathrm{rad} =0.0547''. \] 第一暗环的角半径为 \(3.24\times10^{-7}\,\mathrm{rad}=0.0668''\)。
月球上对应的中央衍射光斑半径为 \[ r_1=L\theta_1\approx123\,\mathrm m, \] 远大于反射器的半径 \(0.10\,\mathrm m\)。
指向误差 \(\delta\theta\) 会使光束中心移动 \(L\delta\theta\)。要使反射器保持在中央衍射光斑内,这一位移必须小于约 \(10^2\,\mathrm m\)。因此 \[ \boxed{\delta\theta\lesssim3\times10^{-7}\,\mathrm{rad} \approx0.06''}. \] 要使回波能量接近最大值,指向误差应明显小于这一特征角宽度。
2) 反射后收集到的激光能量比例
衍射发生两次:第一次发生在发射望远镜处,第二次发生在月球反射器处。
为保留圆孔对应的数值因子,考虑一个面积为 \(A\)、受到均匀照明的孔径。在远场,孔径各部分发出的光在轴线上同相叠加。除去一个整体相位因子,惠更斯–菲涅耳公式给出的轴上场振幅为 \[ u(0,L)=\frac{u_0A}{i\lambda L}. \] 由于发射能量正比于 \(|u_0|^2A\),轴上单位面积接收的能量,即能量面密度,为 \[ \boxed{\mathcal F(0,L)=\frac{EA}{\lambda^2L^2}}. \] 因此,一个面积为 \(B\)、中心位于轴线上的小接收孔径截获的能量比例为 \[ \frac{E_B}{E}\approx\frac{AB}{\lambda^2L^2}. \]
这里,望远镜和反射器的面积分别为 \[ A_D=\frac{\pi D^2}{4}=5.31\,\mathrm{m^2}, \qquad A_d=\frac{\pi d^2}{4}=3.14\times10^{-2}\,\mathrm{m^2}. \] 与出射光束的衍射光斑相比,反射器非常小,因此其表面各处的入射能量面密度基本相同。所以,到达反射器的能量比例为 \[ f_{\rm out} =\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
受到照明的反射器相当于一个直径为 \(d\) 的相干孔径。其返回光束的衍射图样中,第一暗环的半径为 \[ r_{\rm return}=1.22\frac{\lambda L}{d} \approx1.60\times10^3\,\mathrm m. \] 与这一衍射图样相比,望远镜非常小,因此可以采用相同的中央能量面密度计算方法: \[ f_{\rm back} =\frac{A_dA_D}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
将这两个比例相乘,得 \[ \eta=f_{\rm out}f_{\rm back} =\left(\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2}\right)^2 =\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4. \] 因此 \[ \boxed{\eta=5.9\times10^{-12}}. \]
3) 肉眼能否看到
返回光束的能量面密度在望远镜孔径范围内,以及在小得多的瞳孔范围内,都基本均匀。因此,进入肉眼的能量为 \[ E_{\rm eye} =E\eta\frac{A_p}{A_D} =E\eta\left(\frac{d_p}{D}\right)^2. \] 代入数值得 \[ E_{\rm eye} =(1)(5.89\times10^{-12}) \left(\frac{0.005}{2.6}\right)^2 =2.18\times10^{-17}\,\mathrm J. \]
一个光子的能量为 \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6\times10^{-34})(3.0\times10^8)} {6.9\times10^{-7}} =2.87\times10^{-19}\,\mathrm J. \] 因此 \[ N_{\rm eye} =\frac{E_{\rm eye}}{\varepsilon_\gamma} \approx75.9. \]
由于 \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76<100}, \] 即使在这些理想假设下,该脉冲也未达到题目给定的肉眼可见阈值。
在孔径和发射能量给定的条件下,均匀、同相的照明使轴上能量面密度达到最大。因此,若照明分布产生的中央强度更低,也不会改善这一结果。
4) 相对于月球表面反射的增益
为进行题目要求的估算,假设漫反射能量 \(\alpha E\) 均匀分布在 \(2\pi\) 球面度的立体角内。接收望远镜所张的立体角为 \[ \Omega_D\approx\frac{A_D}{L^2}. \] 从漫反射表面收集到的能量占发射能量的比例为 \[ \eta_{\rm diffuse} =\alpha\frac{\Omega_D}{2\pi} =\frac{\alpha A_D}{2\pi L^2} =\frac{\alpha D^2}{8L^2}. \] 代入数值得 \[ \eta_{\rm diffuse} =\frac{0.10(2.6)^2}{8(3.8\times10^8)^2} =5.85\times10^{-19}. \] 这里包括了整个受照月面区域的反射。
因此,反射器的增益为 \[ G=\frac{\eta}{\eta_{\rm diffuse}} =\frac{5.89\times10^{-12}}{5.85\times10^{-19}} \approx1.01\times10^7. \] 所以 \[ \boxed{G\approx10^7}. \]
衍射光斑的初等近似
一种更简单的估算方法是将每束光视为均匀分布在一个圆盘上,其半径为 \[ r\approx\frac{\lambda L}{a}, \] 其中 \(a\) 是发射孔径的直径。由此得到 \[ r_{\rm Moon}\approx101\,\mathrm m,\qquad r_{\rm Earth}\approx1311\,\mathrm m. \] 再以面积比作为截获的能量比例,可得 \[ \eta_{\rm spot} \approx \frac{(d/2)^2}{r_{\rm Moon}^2} \frac{(D/2)^2}{r_{\rm Earth}^2} = \left(\frac{Dd}{2\lambda L}\right)^4 =9.7\times10^{-13}. \] 对应的结果为 \[ N_{\rm eye,spot}\approx12,\qquad G_{\rm spot}\approx1.7\times10^6. \]
这是一种有用的初等估算。圆孔计算得到的回波能量更大,是因为实际衍射图样的强度在中央达到峰值,而两次接收所用的孔径都只截取其中央区域。
解答已与官方解答核对。
IPhO 1979 · Теоретическая задача 3
Лазерная локация Луны
В ходе советско-французского эксперимента по оптической локации Луны световой импульс рубинового лазера (\(\lambda=0{,}69\,\mu\mathrm{m}\)) направлялся на поверхность Луны с помощью телескопа с диаметром зеркала \(D=2{,}6\,\mathrm{m}\). Отражатель на поверхности Луны отражал свет обратно как идеальное зеркало диаметром \(d=20\,\mathrm{cm}\). Отражённый свет затем собирался тем же телескопом и фокусировался на фотоприёмнике.
1) Какой должна быть точность наведения оптической оси телескопа в этом эксперименте?
2) Какая доля излучённой лазером энергии может быть зарегистрирована после отражения от Луны, если пренебречь потерями света в атмосфере Земли?
3) Можно ли увидеть отражённый световой импульс невооружённым глазом, если энергия одного лазерного импульса \(E=1\,\mathrm{J}\), а пороговая чувствительность глаза равна \(n=100\) квантам света?
4) Предполагая, что поверхность Луны отражает \(\alpha=10\%\) падающего света в телесный угол \(2\pi\) стерадиан, оцените выигрыш от использования отражателя.
Расстояние от Земли до Луны равно \(L=380000\,\mathrm{km}\). Диаметр зрачка глаза равен \(d_p=5\,\mathrm{mm}\). Постоянная Планка равна \(h=6.6\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}\).
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
Приведённые ниже численные результаты получены в предположении равномерного когерентного освещения круглой апертуры телескопа, расположения отражателя на оси пучка и идеального сбора света.
-
Точность наведения порядка \[ \boxed{\delta\theta\lesssim 3\times10^{-7}\,\mathrm{rad}\approx0.06''}. \]
-
Доля энергии, собираемая телескопом, равна \[ \boxed{\eta=\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4 \approx5.9\times10^{-12}}. \]
-
Нет. В невооружённый глаз попадает приблизительно \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76\ \text{фотонов}<100}. \]
-
По сравнению с диффузным отражением от всего освещённого участка Луны отражатель даёт выигрыш в принимаемой энергии приблизительно \[ \boxed{G\approx1.0\times10^7}. \]
Элементарное приближение равномерно освещённых дифракционных пятен даёт \(\eta\approx10^{-12}\), \(N_{\rm eye}\approx12\) и \(G\approx1.7\times10^6\). Различие связано с профилем интенсивности дифракционной картины, как поясняется ниже.
Решение
Принимаем \[ \lambda=6.9\times10^{-7}\,\mathrm m,\qquad L=3.8\times10^8\,\mathrm m,\qquad c=3.0\times10^8\,\mathrm{m\,s^{-1}}. \] Пренебрегаем поглощением в атмосфере, оптическими потерями и потерями из-за несовершенства фотоприёмника. Лазерное излучение когерентно заполняет апертуру телескопа, а отражатель расположен в центре исходящего пучка.
1) Требуемая точность наведения
Конечная апертура вызывает дифракцию. Для апертуры диаметром \(a\) характерная угловая расходимость составляет \[ \theta\sim\frac{\lambda}{a}. \] Для равномерно освещённой круглой апертуры первое тёмное кольцо наблюдается под углом \[ \theta_1=1.22\frac{\lambda}{a}. \]
Для передающего телескопа \[ \frac{\lambda}{D} =\frac{6.9\times10^{-7}}{2.6} =2.65\times10^{-7}\,\mathrm{rad} =0.0547''. \] Угловой радиус первого тёмного кольца равен \(3.24\times10^{-7}\,\mathrm{rad}=0.0668''\).
Соответствующее центральное дифракционное пятно на Луне имеет радиус \[ r_1=L\theta_1\approx123\,\mathrm m, \] что гораздо больше радиуса отражателя \(0.10\,\mathrm m\).
Ошибка наведения \(\delta\theta\) смещает центр пучка на \(L\delta\theta\). Чтобы отражатель оставался в центральном дифракционном пятне, это смещение должно быть меньше примерно \(10^2\,\mathrm m\). Следовательно, \[ \boxed{\delta\theta\lesssim3\times10^{-7}\,\mathrm{rad} \approx0.06''}. \] Чтобы энергия возвращённого сигнала была близка к максимальной, ошибка наведения должна быть существенно меньше этой характерной угловой ширины.
2) Доля энергии лазера, собираемая после отражения
Дифракция происходит дважды: сначала на передающем телескопе, а затем на лунном отражателе.
Чтобы учесть численный коэффициент для круглой апертуры, рассмотрим равномерно освещённую апертуру площадью \(A\). В дальней зоне вклады от всех частей апертуры приходят на её ось в одинаковой фазе. Формула Гюйгенса — Френеля даёт следующую амплитуду поля на оси, с точностью до общего фазового множителя: \[ u(0,L)=\frac{u_0A}{i\lambda L}. \] Поскольку излучённая энергия пропорциональна \(|u_0|^2A\), энергия на единицу площади на оси, или энергетическая экспозиция, равна \[ \boxed{\mathcal F(0,L)=\frac{EA}{\lambda^2L^2}}. \] Следовательно, малая приёмная апертура площадью \(B\), центр которой расположен на оси, перехватывает долю энергии \[ \frac{E_B}{E}\approx\frac{AB}{\lambda^2L^2}. \]
В данном случае площади телескопа и отражателя равны \[ A_D=\frac{\pi D^2}{4}=5.31\,\mathrm{m^2}, \qquad A_d=\frac{\pi d^2}{4}=3.14\times10^{-2}\,\mathrm{m^2}. \] Отражатель очень мал по сравнению с дифракционным пятном исходящего пучка, поэтому энергетическая экспозиция падающего света практически постоянна по всей его поверхности. Таким образом, доля энергии, достигающая отражателя, равна \[ f_{\rm out} =\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
Освещённый отражатель действует как когерентная апертура диаметром \(d\). Радиус первого тёмного кольца дифракционной картины возвращающегося пучка равен \[ r_{\rm return}=1.22\frac{\lambda L}{d} \approx1.60\times10^3\,\mathrm m. \] Телескоп очень мал по сравнению с этой дифракционной картиной, поэтому применим тот же расчёт энергетической экспозиции в центре: \[ f_{\rm back} =\frac{A_dA_D}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
Перемножая эти две доли, получаем \[ \eta=f_{\rm out}f_{\rm back} =\left(\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2}\right)^2 =\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4. \] Таким образом, \[ \boxed{\eta=5.9\times10^{-12}}. \]
3) Видимость невооружённым глазом
Энергетическая экспозиция возвращающегося света практически одинакова по всей площади как апертуры телескопа, так и гораздо меньшего зрачка. Поэтому энергия, попадающая в невооружённый глаз, равна \[ E_{\rm eye} =E\eta\frac{A_p}{A_D} =E\eta\left(\frac{d_p}{D}\right)^2. \] Подстановка даёт \[ E_{\rm eye} =(1)(5.89\times10^{-12}) \left(\frac{0.005}{2.6}\right)^2 =2.18\times10^{-17}\,\mathrm J. \]
Энергия одного фотона равна \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6\times10^{-34})(3.0\times10^8)} {6.9\times10^{-7}} =2.87\times10^{-19}\,\mathrm J. \] Отсюда \[ N_{\rm eye} =\frac{E_{\rm eye}}{\varepsilon_\gamma} \approx75.9. \]
Поскольку \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76<100}, \] импульс не достигает заданного порога видимости невооружённым глазом даже при этих идеальных предположениях.
Равномерное синфазное освещение обеспечивает максимальную энергетическую экспозицию на оси при заданных апертуре и излучённой энергии. Поэтому профиль освещения, дающий меньшую интенсивность в центре, не позволил бы улучшить этот результат.
4) Выигрыш по сравнению с отражением от поверхности Луны
Для требуемой оценки предположим, что диффузно отражённая энергия \(\alpha E\) равномерно распределена по телесному углу \(2\pi\) стерадиан. Приёмный телескоп виден с Луны под телесным углом \[ \Omega_D\approx\frac{A_D}{L^2}. \] Доля излучённой энергии, собираемая после диффузного отражения от поверхности, равна \[ \eta_{\rm diffuse} =\alpha\frac{\Omega_D}{2\pi} =\frac{\alpha A_D}{2\pi L^2} =\frac{\alpha D^2}{8L^2}. \] Численно \[ \eta_{\rm diffuse} =\frac{0.10(2.6)^2}{8(3.8\times10^8)^2} =5.85\times10^{-19}. \] Здесь учтено отражение от всего освещённого участка Луны.
Таким образом, выигрыш от использования отражателя равен \[ G=\frac{\eta}{\eta_{\rm diffuse}} =\frac{5.89\times10^{-12}}{5.85\times10^{-19}} \approx1.01\times10^7. \] Следовательно, \[ \boxed{G\approx10^7}. \]
Элементарное приближение дифракционных пятен
В более простой оценке каждый пучок считается равномерно распределённым по диску радиусом \[ r\approx\frac{\lambda L}{a}, \] где \(a\) — диаметр излучающей апертуры. Это даёт \[ r_{\rm Moon}\approx101\,\mathrm m,\qquad r_{\rm Earth}\approx1311\,\mathrm m. \] Принимая доли перехватываемой энергии равными отношениям площадей, получаем \[ \eta_{\rm spot} \approx \frac{(d/2)^2}{r_{\rm Moon}^2} \frac{(D/2)^2}{r_{\rm Earth}^2} = \left(\frac{Dd}{2\lambda L}\right)^4 =9.7\times10^{-13}. \] Соответствующие результаты равны \[ N_{\rm eye,spot}\approx12,\qquad G_{\rm spot}\approx1.7\times10^6. \]
Это полезная элементарная оценка. Расчёт для круглой апертуры даёт большую энергию возвращённого сигнала, поскольку реальная дифракционная картина имеет максимум в центре, а обе приёмные апертуры перехватывают свет из её центральной области.
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1979 · مسألة نظرية 3
تحديد موقع القمر بالليزر
أثناء التجربة السوفيتية الفرنسية لتحديد موقع القمر بصريًا، وُجِّهت نبضة ضوئية من ليزر الياقوت (\(\lambda=0{,}69\,\mu\mathrm{m}\)) نحو سطح القمر باستخدام تلسكوب قطر مرآته \(D=2{,}6\,\mathrm{m}\). وعكس العاكس الموجود على سطح القمر الضوء إلى الخلف كما تفعل مرآة مثالية قطرها \(d=20\,\mathrm{cm}\). ثم جُمِع الضوء المنعكس بالتلسكوب نفسه ورُكِّز على الكاشف الضوئي.
1) ما الدقة اللازمة لتوجيه المحور البصري للتلسكوب في هذه التجربة؟
2) ما الجزء الذي يمكن كشفه من طاقة الليزر المنبعثة بعد انعكاسه عن القمر، إذا أهملنا فقد الضوء في الغلاف الجوي للأرض؟
3) هل يمكننا رؤية النبضة الضوئية المنعكسة بالعين المجردة إذا كانت طاقة نبضة الليزر الواحدة \(E=1\,\mathrm{J}\)، وكانت عتبة حساسية العين تساوي \(n=100\) كمّ ضوئي؟
4) بافتراض أن سطح القمر يعكس \(\alpha=10\%\) من الضوء الساقط ضمن زاوية مجسمة مقدارها \(2\pi\) ستراديان، قدِّر مقدار التحسن الناتج عن استخدام عاكس.
المسافة من الأرض إلى القمر هي \(L=380000\,\mathrm{km}\). وقطر حدقة العين هو \(d_p=5\,\mathrm{mm}\). وثابت بلانك هو \(h=6.6\cdot10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
تفترض النتائج العددية أدناه إضاءة مترابطة منتظمة لفتحة التلسكوب الدائرية، وعاكسًا متمركزًا على المحور، وجمعًا مثاليًا للضوء.
-
دقة توجيه من رتبة \[ \boxed{\delta\theta\lesssim 3\times10^{-7}\,\mathrm{rad}\approx0.06''}. \]
-
نسبة الطاقة التي يجمعها التلسكوب هي \[ \boxed{\eta=\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4 \approx5.9\times10^{-12}}. \]
-
لا. تستقبل العين المجردة نحو \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76\ \text{فوتونًا}<100}. \]
-
بالمقارنة مع الانعكاس المنتشر عن كامل البقعة المضاءة على سطح القمر، يزيد العاكس الطاقة المستقبلة بمعامل يبلغ تقريبًا \[ \boxed{G\approx1.0\times10^7}. \]
يعطي التقريب المبسط القائم على بقع حيود مضاءة بانتظام \(\eta\approx10^{-12}\)، و\(N_{\rm eye}\approx12\)، و\(G\approx1.7\times10^6\). وينشأ هذا الاختلاف من شكل توزيع شدة الحيود، كما سيُشرح أدناه.
الحل
نأخذ \[ \lambda=6.9\times10^{-7}\,\mathrm m,\qquad L=3.8\times10^8\,\mathrm m,\qquad c=3.0\times10^8\,\mathrm{m\,s^{-1}}. \] نهمل الامتصاص في الغلاف الجوي، والفواقد البصرية، وعدم كمال كفاءة الكاشف. يملأ ضوء الليزر فتحة التلسكوب بصورة مترابطة، ويتمركز العاكس في الحزمة الصادرة.
1) دقة التوجيه المطلوبة
تُحدث الفتحة المحدودة حيودًا. ولفتحة قطرها \(a\)، يكون الانتشار الزاوي المميز \[ \theta\sim\frac{\lambda}{a}. \] ولفتحة دائرية مضاءة بانتظام، تقع الحلقة المظلمة الأولى عند \[ \theta_1=1.22\frac{\lambda}{a}. \]
بالنسبة إلى التلسكوب المرسِل، \[ \frac{\lambda}{D} =\frac{6.9\times10^{-7}}{2.6} =2.65\times10^{-7}\,\mathrm{rad} =0.0547''. \] زاوية الحلقة المظلمة الأولى هي \(3.24\times10^{-7}\,\mathrm{rad}=0.0668''\).
يبلغ نصف قطر بقعة الحيود المركزية المقابلة على القمر \[ r_1=L\theta_1\approx123\,\mathrm m, \] وهو أكبر بكثير من نصف قطر العاكس البالغ \(0.10\,\mathrm m\).
يُزيح خطأ توجيه مقداره \(\delta\theta\) مركز الحزمة بمقدار \(L\delta\theta\). ولإبقاء العاكس داخل بقعة الحيود المركزية، يجب أن تكون هذه الإزاحة أصغر من نحو \(10^2\,\mathrm m\). ومن ثم \[ \boxed{\delta\theta\lesssim3\times10^{-7}\,\mathrm{rad} \approx0.06''}. \] وللحصول على طاقة عائدة قريبة من قيمتها العظمى، ينبغي أن يكون خطأ التوجيه أصغر بكثير من هذا العرض المميز.
2) نسبة طاقة الليزر التي تُجمع بعد الانعكاس
يحدث الحيود مرتين: أولًا عند التلسكوب المرسِل، ثم عند العاكس الموجود على القمر.
للاحتفاظ بالمعامل العددي الخاص بالفتحة الدائرية، لننظر في فتحة مضاءة بانتظام مساحتها \(A\). في المجال البعيد، تصل المساهمات من جميع أجزاء الفتحة متفقة في الطور على محورها. وتعطي صيغة هويغنز–فرينل سعة المجال على المحور، باستثناء عامل طور كلي، على الصورة \[ u(0,L)=\frac{u_0A}{i\lambda L}. \] ولأن الطاقة المرسلة تتناسب مع \(|u_0|^2A\)، فإن الطاقة لكل وحدة مساحة على المحور، أو الفلوانس، تساوي \[ \boxed{\mathcal F(0,L)=\frac{EA}{\lambda^2L^2}}. \] وبالتالي، فإن فتحة استقبال صغيرة مساحتها \(B\)، ومتمركزة على المحور، تعترض النسبة \[ \frac{E_B}{E}\approx\frac{AB}{\lambda^2L^2}. \]
هنا مساحتا التلسكوب والعاكس هما \[ A_D=\frac{\pi D^2}{4}=5.31\,\mathrm{m^2}, \qquad A_d=\frac{\pi d^2}{4}=3.14\times10^{-2}\,\mathrm{m^2}. \] العاكس صغير جدًا مقارنة ببقعة حيود الحزمة الصادرة، لذا يكون الفلوانس الساقط ثابتًا تقريبًا على امتداده. ومن ثم فإن نسبة الطاقة التي تصل إليه هي \[ f_{\rm out} =\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
يعمل العاكس المضاء كفتحة مترابطة قطرها \(d\). ويبلغ نصف قطر الحلقة المظلمة الأولى في نمط حيود الضوء العائد منه \[ r_{\rm return}=1.22\frac{\lambda L}{d} \approx1.60\times10^3\,\mathrm m. \] التلسكوب صغير جدًا مقارنة بهذا النمط، لذا ينطبق الحساب نفسه للفلوانس المركزي: \[ f_{\rm back} =\frac{A_dA_D}{\lambda^2L^2} =2.43\times10^{-6}. \]
بضرب النسبتين، \[ \eta=f_{\rm out}f_{\rm back} =\left(\frac{A_DA_d}{\lambda^2L^2}\right)^2 =\left(\frac{\pi Dd}{4\lambda L}\right)^4. \] إذن \[ \boxed{\eta=5.9\times10^{-12}}. \]
3) إمكانية الرؤية بالعين المجردة
يكون الفلوانس العائد منتظمًا تقريبًا على امتداد كلٍّ من فتحة التلسكوب وحدقة العين الأصغر منها بكثير. ولذلك فإن الطاقة الداخلة إلى العين المجردة هي \[ E_{\rm eye} =E\eta\frac{A_p}{A_D} =E\eta\left(\frac{d_p}{D}\right)^2. \] بالتعويض نحصل على \[ E_{\rm eye} =(1)(5.89\times10^{-12}) \left(\frac{0.005}{2.6}\right)^2 =2.18\times10^{-17}\,\mathrm J. \]
طاقة الفوتون الواحد هي \[ \varepsilon_\gamma=\frac{hc}{\lambda} =\frac{(6.6\times10^{-34})(3.0\times10^8)} {6.9\times10^{-7}} =2.87\times10^{-19}\,\mathrm J. \] ومن ثم \[ N_{\rm eye} =\frac{E_{\rm eye}}{\varepsilon_\gamma} \approx75.9. \]
وبما أن \[ \boxed{N_{\rm eye}\approx76<100}, \] فإن النبضة لا تبلغ عتبة الرؤية بالعين المجردة المذكورة، حتى في ظل هذه الافتراضات المثالية.
تجعل الإضاءة المنتظمة والمتفقة في الطور الفلوانس على المحور أعظميًا عند ثبات الفتحة والطاقة المرسلة. ولذلك فإن توزيع إضاءة يعطي شدة مركزية أقل لن يحسّن هذه النتيجة.
4) مقدار التحسن مقارنة بالانعكاس عن سطح القمر
لإجراء التقدير المطلوب، نفترض أن الطاقة المنعكسة انعكاسًا منتشرًا \(\alpha E\) موزعة بانتظام على \(2\pi\) ستراديان. يقابل التلسكوب المستقبِل زاوية مجسمة مقدارها \[ \Omega_D\approx\frac{A_D}{L^2}. \] نسبة الطاقة المنبعثة التي تُجمع من السطح العاكس انعكاسًا منتشرًا هي \[ \eta_{\rm diffuse} =\alpha\frac{\Omega_D}{2\pi} =\frac{\alpha A_D}{2\pi L^2} =\frac{\alpha D^2}{8L^2}. \] عدديًا، \[ \eta_{\rm diffuse} =\frac{0.10(2.6)^2}{8(3.8\times10^8)^2} =5.85\times10^{-19}. \] يشمل ذلك الانعكاس عن كامل البقعة المضاءة على سطح القمر.
وعليه، فإن معامل التحسن الناتج عن العاكس هو \[ G=\frac{\eta}{\eta_{\rm diffuse}} =\frac{5.89\times10^{-12}}{5.85\times10^{-19}} \approx1.01\times10^7. \] إذن \[ \boxed{G\approx10^7}. \]
التقريب المبسط لبقعة الحيود
في تقدير أبسط، تُعامل كل حزمة على أنها موزعة بانتظام على قرص نصف قطره \[ r\approx\frac{\lambda L}{a}, \] حيث \(a\) هو قطر الفتحة المرسِلة. ويعطي هذا التقدير \[ r_{\rm Moon}\approx101\,\mathrm m,\qquad r_{\rm Earth}\approx1311\,\mathrm m. \] وباعتبار نسب الطاقة المعترضة مساوية لنسب المساحات، نحصل عندئذ على \[ \eta_{\rm spot} \approx \frac{(d/2)^2}{r_{\rm Moon}^2} \frac{(D/2)^2}{r_{\rm Earth}^2} = \left(\frac{Dd}{2\lambda L}\right)^4 =9.7\times10^{-13}. \] والنتائج المقابلة هي \[ N_{\rm eye,spot}\approx12,\qquad G_{\rm spot}\approx1.7\times10^6. \]
هذا تقدير مبسط مفيد. ويعطي حساب الفتحة الدائرية طاقة عائدة أكبر لأن نمط الحيود الفعلي له ذروة عند المركز، ولأن كلتا فتحتي الاستقبال تستقبلان الضوء من منطقته المركزية.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.