Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для использования в других целях, см Wavefront (значения) .

В физике волновой фронт изменяющегося во времени поля - это набор ( геометрическое место ) всех точек, в которых волна имеет одинаковую фазу синусоиды. [1] Этот термин обычно имеет смысл только для полей, которые в каждой точке изменяются синусоидально во времени с одной временной частотой (в противном случае фаза не определена должным образом).

Волновые фронты обычно меняются со временем. Для волн, распространяющихся в одномерной среде, волновые фронты обычно представляют собой одиночные точки; это кривые в двухмерной среде и поверхности в трехмерной.

Волновые фронты плоской волны - это плоскости .
Волновые фронты меняют форму после прохождения через линзу.

Для синусоидальной плоской волны волновые фронты - это плоскости, перпендикулярные направлению распространения, которые движутся в этом направлении вместе с волной. Для синусоидальной сферической волны фронты волн представляют собой сферические поверхности, которые расширяются вместе с ней. Если скорость распространения различна в разных точках волнового фронта, форма и / или ориентация волновых фронтов может измениться из-за преломления . В частности, линзы могут изменять форму фронтов оптических волн с плоской на сферическую или наоборот.

Простые волновые фронты и распространение [ править ]

Оптические системы могут быть описаны уравнениями Максвелла , а линейные распространяющиеся волны, такие как звуковые или электронные лучи, имеют аналогичные волновые уравнения. Однако, учитывая приведенные выше упрощения, принцип Гюйгенса обеспечивает быстрый метод прогнозирования распространения волнового фронта, например, через свободное пространство . Конструкция выглядит следующим образом: пусть каждая точка на фронте волны считается новым точечным источником.. Вычисляя общий эффект от каждого точечного источника, можно вычислить результирующее поле в новых точках. На этом подходе часто основываются вычислительные алгоритмы. Конкретные случаи для простых волновых фронтов можно вычислить напрямую. Например, сферический волновой фронт останется сферическим, поскольку энергия волны уносится одинаково во всех направлениях. Такие направления потока энергии, которые всегда перпендикулярны волновому фронту, называются лучами, создающими несколько волновых фронтов. [2]

Самая простая форма волнового фронта - это плоская волна , лучи которой параллельны друг другу. Свет от этого типа волны называется коллимированным светом. Плоский волновой фронт - хорошая модель для сечения поверхности очень большого сферического волнового фронта; например, солнечный свет поражает Землю сферическим волновым фронтом с радиусом около 150 миллионов километров (1 а.е. ). Для многих целей такой волновой фронт можно считать плоским на расстояниях, равных диаметру Земли.

Волновые фронты движутся со скоростью света во всех направлениях в изотропной среде.

Аберрации волнового фронта [ править ]

Основная статья: Оптическая аберрация

Методы, использующие измерения или прогнозы волнового фронта, можно считать передовым подходом к линзовой оптике, где единственное фокусное расстояние может не существовать из-за толщины линзы или несовершенства. По производственным причинам идеальная линза имеет сферическую (или тороидальную) форму поверхности, хотя теоретически идеальная поверхность должна быть асферической . Подобные недостатки оптической системы вызывают так называемые оптические аберрации . Наиболее известные аберрации включают сферическую аберрацию и кому . [3]

Однако могут быть более сложные источники аберраций, например, в большом телескопе, из-за пространственных изменений показателя преломления атмосферы. Отклонение волнового фронта в оптической системе от желаемого идеального плоского волнового фронта называется аберрацией волнового фронта . Аберрации волнового фронта обычно описываются либо как дискретизированное изображение, либо как набор двумерных полиномиальных членов. Минимизация этих аберраций считается желательной для многих приложений в оптических системах.

Датчик волнового фронта и методы реконструкции [ править ]

Волновой фронт датчик представляет собой устройство , которое измеряет аберрацию волновой фронта в когерентном сигнале , чтобы описать оптическое качество или его отсутствие в оптической системе. Очень распространенный метод - использовать матрицу линз Шака – Хартмана . Есть много приложений, которые включают адаптивную оптику , оптическую метрологию и даже измерение аберраций в самом глазу . В этом подходе слабый лазерный источник направляется в глаз, а отражение от сетчатки берется и обрабатывается.

Появляются альтернативные методы измерения волнового фронта системе Шака – Хартмана . Математические методы, такие как формирование изображения фазы или определение кривизны, также способны обеспечить оценку волнового фронта. Эти алгоритмы вычисляют изображения волнового фронта из обычных изображений светлого поля в различных фокальных плоскостях без необходимости использования специальной оптики волнового фронта. В то время как массивы линз Шака-Хартмана ограничены в поперечном разрешении размером массива линз, такие методы, как эти, 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 они намного менее надежны, чем исходные SHWFS, с точки зрения измерения фазы.

Еще одно применение программного восстановления фазы - это управление телескопами с помощью адаптивной оптики. Распространенным методом является тест Роддье, также называемый измерением кривизны волнового фронта. Он дает хорошую коррекцию, но требует уже хорошей системы в качестве отправной точки. Действительно из-за проблем с линейностью, описанных выше. Вот почему люди объединяют различные типы WFS в системах адаптивной оптики следующего поколения.

См. Также [ править ]

  • Принцип Гюйгенса-Френеля
  • Датчик волнового фронта
  • Адаптивная оптика
  • Деформируемое зеркало

Ссылки [ править ]

  1. ^ Основные принципы физики , PM Whelan, MJ Hodgeson, 2nd Edition, 1978, John Murray, ISBN  0-7195-3382-1
  2. ^ Университетская физика - с современной физикой (12-е издание), HD Young, Р. А. Фридман (оригинальное издание), Addison-Wesley (Pearson International), 1-е издание: 1949 г., 12-е издание: 2008 г., ISBN 0-321-50130-6 , ISBN 978-0-321-50130-1  
  3. ↑ Энциклопедия физики (2-е издание) , RG Lerner, GL Trigg, VHC publishers, 1991, ISBN (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1, ISBN (VHC Inc.) 0-89573-752-3

Дальнейшее чтение [ править ]

Учебники и книги [ править ]

  • Концепции современной физики (4-е издание), A. Beiser, Physics, McGraw-Hill (International), 1987, ISBN 0-07-100144-1 
  • Физика с современными приложениями , Л. Х. Гринберг, 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 4-8337-0195-2 
  • 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 , диапазон YB, John Wiley & Sons, 2010, ISBN 978-0-471-89931-0 
  • The Light Fantastic - Introduction to Classic and Quantum Optics , IR Kenyon, Oxford University Press, 2008, ISBN 978-0-19-856646-5. 
  • Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е издание), CB Parker, 1994, ISBN 0-07-051400-3 
  • Арнольд, В.И. (1990). Особенности каустик и волновых фронтов . Математика и ее приложения. 62 . Дордрехт: Springer, Нидерланды. DOI : 10.1007 / 978-94-011-3330-2 . ISBN 978-1-4020-0333-2. OCLC  22509804 .

Журналы [ править ]

  • Арнольд В.И. (1983). "Особенность системы лучей" [Сингулярность в лучевых системах] (PDF) . Успехи математических наук . 38 (2 (230)): 77–147. DOI : 10,1070 / RM1983v038n02ABEH003471 - с помощью России Успехи математических наук , 38: 2 (1983), 87-176.
  • Франсуа Роддье, Клод Роддье (апрель 1991 г.). «Реконструкция волнового фронта с использованием итерационных преобразований Фурье». Прикладная оптика . 30 (11): 1325–1327. Bibcode : 1991ApOpt..30.1325R . DOI : 10,1364 / AO.30.001325 . ISSN  0003-6935 . PMID  20700283 .
  • Клод Роддье, Франсуа Роддье (ноябрь 1993 г.). «Реконструкция волнового фронта по расфокусированным изображениям и тестирование наземных оптических телескопов». Журнал Оптического общества Америки A . 10 (11): 2277–2287. Bibcode : 1993JOSAA..10.2277R . DOI : 10.1364 / JOSAA.10.002277 .
  • Щербак ОП (1988). "Волновые фронты и группы отражений" [ Волновые фронты и группы отражений] (PDF) . Успехи математических наук . 43 (3 (261)): 125–160. DOI : 10,1070 / RM1988v043n03ABEH001741 - с помощью России Успехи математических наук , 43: 3 (1988), 149-194.
  • Оценка наклона / наклона волнового фронта по расфокусированным изображениям

Внешние ссылки [ править ]

  • LightPipes - Бесплатное программное обеспечение для распространения волнового фронта Unix