Frente de onda - Wavefront

Para otros usos, consulte Wavefront (desambiguación) .

En física, el frente de onda de un campo variable en el tiempo es el conjunto ( lugar geométrico ) de todos los puntos donde la onda tiene la misma fase de la sinusoide. El término generalmente es significativo solo para campos que, en cada punto, varían sinusoidalmente en el tiempo con una sola frecuencia temporal (de lo contrario, la fase no está bien definida).

Los frentes de onda suelen moverse con el tiempo. Para las ondas que se propagan en un medio unidimensional , los frentes de onda suelen ser puntos únicos; son curvas en un medio bidimensional y superficies en uno tridimensional.

Los frentes de onda de una onda plana son planos .
Los frentes de onda cambian de forma después de atravesar una lente.

Para una onda plana sinusoidal , los frentes de onda son planos perpendiculares a la dirección de propagación, que se mueven en esa dirección junto con la onda. Para una onda esférica sinusoidal , los frentes de onda son superficies esféricas que se expanden con ella. Si la velocidad de propagación es diferente en diferentes puntos de un frente de onda, la forma y / u orientación de los frentes de onda pueden cambiar por refracción . En particular, las lentes pueden cambiar la forma de los frentes de onda ópticos de planos a esféricos, o viceversa.

En la física clásica , el fenómeno de difracción se describe mediante el principio de Huygens-Fresnel que trata cada punto en un frente de onda que se propaga como una colección de ondas esféricas individuales . El patrón de flexión característico es más pronunciado cuando una onda de una fuente coherente (como un láser) encuentra una rendija / apertura que es comparable en tamaño a su longitud de onda , como se muestra en la imagen insertada. Esto se debe a la adición, o interferencia , de diferentes puntos en el frente de onda (o, de manera equivalente, cada ondícula) que viajan por caminos de diferentes longitudes hasta la superficie de registro. Si hay múltiples aberturas poco espaciadas (por ejemplo, una rejilla de difracción ), puede resultar un patrón complejo de intensidad variable.

Frentes de onda simples y propagación

Los sistemas ópticos se pueden describir con las ecuaciones de Maxwell , y las ondas de propagación lineal, como el sonido o los haces de electrones, tienen ecuaciones de onda similares. Sin embargo, dadas las simplificaciones anteriores, el principio de Huygens proporciona un método rápido para predecir la propagación de un frente de onda a través, por ejemplo, del espacio libre . La construcción es la siguiente: Consideremos cada punto del frente de onda como una nueva fuente puntual . Al calcular el efecto total de cada fuente puntual, se puede calcular el campo resultante en nuevos puntos. Los algoritmos computacionales a menudo se basan en este enfoque. Los casos específicos para frentes de onda simples se pueden calcular directamente. Por ejemplo, un frente de onda esférico seguirá siendo esférico ya que la energía de la onda se lleva por igual en todas las direcciones. Estas direcciones de flujo de energía, que siempre son perpendiculares al frente de onda, se denominan rayos que crean múltiples frentes de onda.

La forma más simple de un frente de onda es la onda plana , donde los rayos son paralelos entre sí. La luz de este tipo de onda se conoce como luz colimada . El frente de onda plano es un buen modelo para una sección de superficie de un frente de onda esférico muy grande; por ejemplo, la luz del sol golpea la tierra con un frente de onda esférico que tiene un radio de aproximadamente 150 millones de kilómetros (1 UA ). Para muchos propósitos, tal frente de onda puede considerarse plano en distancias del diámetro de la Tierra.

Los frentes de onda viajan con la velocidad de la luz en todas las direcciones en un medio isotrópico.

Aberraciones de frente de onda

Artículo principal: aberración óptica

Los métodos que utilizan mediciones o predicciones de frente de onda pueden considerarse un enfoque avanzado de la óptica de la lente, donde puede no existir una sola distancia focal debido al grosor o imperfecciones de la lente. Por razones de fabricación, una lente perfecta tiene una forma de superficie esférica (o toroidal) aunque, teóricamente, la superficie ideal sería asférica . Deficiencias como estas en un sistema óptico provocan lo que se denominan aberraciones ópticas . Las aberraciones más conocidas incluyen la aberración esférica y el coma .

Sin embargo, puede haber fuentes más complejas de aberraciones, como en un telescopio grande, debido a variaciones espaciales en el índice de refracción de la atmósfera. La desviación de un frente de onda en un sistema óptico de un frente de onda plano perfecto deseado se denomina aberración del frente de onda . Las aberraciones de frente de onda generalmente se describen como una imagen muestreada o como una colección de términos polinomiales bidimensionales. La minimización de estas aberraciones se considera deseable para muchas aplicaciones en sistemas ópticos.

Sensor de frente de onda y técnicas de reconstrucción

Un sensor de frente de onda es un dispositivo que mide la aberración del frente de onda en una señal coherente para describir la calidad óptica o la falta de ella en un sistema óptico. Un método muy común es utilizar una matriz de lentillas de Shack-Hartmann . Hay muchas aplicaciones que incluyen la óptica adaptativa , la metrología óptica e incluso la medición de las aberraciones en el propio ojo . En este enfoque, se dirige una fuente de láser débil al ojo y se muestrea y procesa el reflejo de la retina .

Están surgiendo técnicas alternativas de detección de frente de onda al sistema Shack-Hartmann . Las técnicas matemáticas como la generación de imágenes de fase o la detección de curvatura también son capaces de proporcionar estimaciones de frente de onda. Estos algoritmos calculan imágenes de frente de onda a partir de imágenes de campo claro convencionales en diferentes planos focales sin la necesidad de ópticas de frente de onda especializadas. Si bien las matrices de lentillas de Shack-Hartmann tienen una resolución lateral limitada al tamaño de la matriz de lentillas, técnicas como estas solo están limitadas por la resolución de las imágenes digitales utilizadas para calcular las medidas del frente de onda. Dicho esto, esos sensores de frente de onda sufren problemas de linealidad y, por lo tanto, son mucho menos robustos que el SHWFS original, en términos de medición de fase.

Otra aplicación del software de reconstrucción de la fase es el control de telescopios mediante el uso de óptica adaptativa. Un método común es la prueba de Roddier, también llamada detección de curvatura de frente de onda. Ofrece una buena corrección, pero necesita un buen sistema como punto de partida. De hecho, debido a los problemas de linealidad descritos anteriormente. Es por eso que la gente está acoplando diferentes tipos de WFS en esos sistemas de óptica adaptativa de próxima generación.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

Libros de texto y libros

Revistas

enlaces externos