Волновой фронт

Для других видов использования см. Wavefront (устранение неоднозначности) .

В физике волновым фронтом изменяющего во времени волнового поля является набор ( локус ) всех точек, имеющих одну и ту же фазу . Термин, как правило, имеет смысл только для полей, которые в каждой точке варьируются синусоидально во времени с одной временной частотой (в противном случае этап недостаточно определена).

Волновые фронты обычно движутся со временем. Для волн, распространяющихся в одномерной среде, волновые фронты обычно представляют собой отдельные точки; Они представляют собой кривые в двухмерной среде и поверхности в трехмерном.

Волновые фронты плоской волны являются плоскостями .

Волновые фронты меняют форму после прохождения объектива.

Для синусоидальной плоскости волны волновых фронтов - это плоскости, перпендикулярные направлению распространения, которые движутся в этом направлении вместе с волной. Для синусоидальной сферической волны волновые фронты представляют собой сферические поверхности, которые расширяются вместе с ней. Если скорость распространения отличается в разных точках волнового фронта, форма и/или ориентация волновых фронт могут измениться на преломлении . В частности, линзы могут изменить форму оптических волновых фронтов с плоских до сферического или наоборот.

В классической физике явление дифракции описывается принципом Huygens -Fresnel , который рассматривает каждую точку в распространяющемся волновом фронте как набор отдельных сферических вейдэйтов . Характерный шаблон изгиба наиболее выражена, когда волна от когерентного источника (такого как лазер) встречается с щели/апертурой, которая по размеру сопоставима с его длиной волны , как показано на вставленном изображении. Это связано с добавлением или помехами разных точек на волновом фронте (или, эквивалентно, каждый вейвлет), которые перемещаются по путям различных длин к поверхности регистрации. Если есть несколько, близко расположенных отверстий (например, дифракционная решетка ), может привести к сложной структуре различной интенсивности.

Простые волновые фронты и распространение

Оптические системы могут быть описаны с помощью уравнений Максвелла , а линейные распространяющиеся волны, такие как звуковые или электронные лучи, имеют одинаковые волновые уравнения. Однако, учитывая приведенные выше упрощения, принцип Huygens обеспечивает быстрый метод для прогнозирования распространения волнового фронта, например, свободного пространства . Конструкция следующая: пусть каждая точка на волновом фронте будет считаться новым точечным источником . Рассчитая общий эффект с каждого источника точки, полученное поле в новых точках может быть рассчитано. Вычислительные алгоритмы часто основаны на этом подходе. Конкретные случаи для простых волновых фронтов могут быть рассчитаны напрямую. Например, сферический волновый фронт останется сферическим, поскольку энергия волны увлекается одинаково во всех направлениях. Такие направления энергетического потока, которые всегда перпендикулярны волновому фронту, называются лучами, создающими несколько волновых фронтов.

Лучи и волновые фронты

Самая простая форма волнового фронта - плоская волна , где лучи параллельны друг другу. Свет от этого типа волны называется коллимированным светом. Планевой волновой фронт является хорошей моделью для поверхностного сечения очень большого сферического волнового фронта; Например, солнечный свет поражает землю сферическим волновым фронтом, который имеет радиус около 150 миллионов километров (1 а.е. ). Для многих целей такой волновой фронт можно считать плоским на расстояниях диаметра Земли.

В изотропных средних волнах движутся с одинаковой скоростью во всех направлениях.

Аберрации волнового фронта

Основная статья: Оптическая аберрация

Методы, использующие измерения или прогнозы волнового фронта, могут считаться расширенным подходом к оптике линзы, где одно фокусное расстояние может не существовать из -за толщины или недостатков линзы. По причинам изготовления идеальная линза имеет сферическую (или тороидальную) форму поверхности, хотя теоретически идеальная поверхность была бы асферической . Такие недостатки в оптической системе вызывают так называемые оптические аберрации . Самые известные аберрации включают сферическую аберрацию и кому .

Тем не менее, могут быть более сложные источники аберраций, такие как в большом телескопе, из -за пространственных изменений в индексе преломления атмосферы. Отклонение волнового фронта в оптической системе от желаемого совершенного плоского волнового фронта называется аберрацией волнового фронта . Аберрации волнового фронта обычно описываются как отобранное изображение или коллекцию двумерных полиномиальных терминов. Минимизация этих аберраций считается желательной для многих применений в оптических системах.

ТЕХНИКА ДАТЧИКА ВАЖНОГО ДЛЯ ФРРНТА И РЕКОНЦИИ

Датчик волнового фронта - это устройство, которое измеряет аберрацию волнового фронта в когерентном сигнале для описания оптического качества или его отсутствия в оптической системе. Существует много применений, которые включают адаптивную оптику , оптическую метрологию и даже измерение аберраций в самом глазах . При таком подходе слабый лазерный источник направляется в глаза, и отражение от сетчатки отображается и обрабатывается. Другим применением программного реконструкции фазы является контроль телескопов с помощью адаптивной оптики.

Математические методы, такие как фазовая визуализация или зондирование кривизны, также способны провести оценки волнового фронта. Эти алгоритмы вычисляют изображения волновых фронтов из обычных изображений Brightfield на разных фокусных плоскостях без необходимости специализированной оптики волнового фронта. В то время как массивы линз Shack-Hartmann ограничены в боковом разрешении до размера матрицы линз, подобные методы ограничены только разрешением цифровых изображений, используемых для вычисления измерений волнового фронта. Тем не менее, эти датчики волнового фронта страдают от проблем с линейностью, и поэтому гораздо менее надежны, чем исходные SHWF, с точки зрения измерения фазы.

Есть несколько типов датчиков волнового фронта, в том числе:

• Shack - Hartmann The Wavefront Sensor : очень распространенный метод с использованием Хартманн массива линз .
• Техника переключения фазы Шлиерена
• Датчик кривизны волнового фронта : также называемый тест Роддие. Это дает хорошую коррекцию, но нуждается в уже хорошей системе в качестве отправной точки.
• Датчик волнового фронта пирамиды
• Интерферометр общего пути
• Foucault-нож-края тест
• Многосторонний интерферометр сдвига
• Рончи тестер
• Сдвиг интерферометр

расщепления амплитуды, Хотя интерферометр такой как интерферометр Майкельсона , можно назвать датчиком волнового фронта, этот термин обычно применяется к приборам, которые не требуют, чтобы неапрезированное опорное луча мешает.

Смотрите также

• Принцип Huygens-Fresnel
• Датчик волнового фронта
• Адаптивная оптика
• Деформируемое зеркало
• Синтез волнового поля
• Уравнение Гамильтона -Якоби

Дальнейшее чтение

Учебники и книги

• Концепции современной физики (4-е издание), A. Beiser, Physics, McGraw-Hill (International), 1987, ISBN   0-07-100144-1
• Физика с современными приложениями , LH Greenberg, Holt-Saunders International WB Saunders and Co, 1978, ISBN   0-7216-4247-0
• Принципы физики , JB Marion, WF Hornyak, Holt-Saunders International Saunders College, 1984, ISBN   4-8337-019-2
• Введение в электродинамику (3 -е издание), DJ Griffiths, Pearson Education, Dorling Kindersley, 2007, ISBN   81-7758-293-3
• Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры , YB Band, John Wiley & Sons, 2010, ISBN   978-0-471-89931-0
• Light Fantastic - Введение в классическую и квантовую оптику , Ir Kenyon, Oxford University Press, 2008, ISBN   978-0-19-856646-5
• McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2 -е издание), CB Parker, 1994, ISBN   0-07-051400-3
• Арнольд, VI (1990). Сингулярность еды и волновых фронтов . Математика и ее приложения. Тол. 62. Дордрехт: Спрингер Нидерланды. doi : 10.1007/978-94-011-3330-2 . ISBN  978-1-4020-0333-2 Полем OCLC   22509804 .

Журналы

• Arnol'd, V. I. (1983). "Особенности систем лучей" [Singularities in ray systems] (PDF) . Успехи математических наук (in Russian). 38 (2(230)): 77–147. doi : 10.1070/RM1983v038n02ABEH003471 . S2CID  250754811 – via Russian Mathematical Surveys , 38:2 (1983), 87–176.
• Франсуа Роддиер, Клод Роддиер (апрель 1991 г.). «Реконструкция волнового фронта с использованием итеративных преобразований Фурье». Прикладная оптика . 30 (11): 1325–1327. Bibcode : 1991apt..30.1325r . doi : 10.1364/ao.30.001325 . ISSN   0003-6935 . PMID   20700283 .
• Клод Роддиер, Франсуа Роддиер (ноябрь 1993 г.). «Реконструкция волнового фронта из дефокусированных изображений и тестирование наземных оптических телескопов». Журнал Оптического общества Америки а . 10 (11): 2277–2287. Bibcode : 1993 Josaa..10.2277r . doi : 10.1364/josaa.10.002277 .
• Shcherbak, O. P. (1988). "Волновые фронты и группы отражений" [Wavefronts and reflection groups] (PDF) . Успехи математических наук (in Russian). 43 (3(261)): 125–160. doi : 10.1070/RM1988v043n03ABEH001741 . S2CID  250792552 – via Russian Mathematical Surveys , 43:3 (1988), 149–194.
• Оценка кончика/наклона

Внешние ссылки

• Lightpipes - бесплатное Unix программное обеспечение для распространения волн
• Учебное пособие AO: датчики волнового фронта
• Ощущение волнового фронта: исследовательские группы и компании, имеющие интересы в зондировании и адаптивной оптике.