Волновой фронт - Wavefront

Для использования в других целях см. Волновой фронт (значения).

В физике волновым фронтом изменяющегося во времени поля является множество (локус ) из всех точки где волна такая же фаза синусоиды.[1] Этот термин обычно имеет значение только для полей, которые в каждой точке различаются. синусоидально во времени с единственной временной частотой (иначе фаза не будет четко определена).

Волновые фронты обычно меняются со временем. Для волн, распространяющихся в одномерный средние волновые фронты обычно представляют собой одиночные точки; они есть кривые в двумерной среде, и поверхности в трехмерном.

Волновые фронты плоская волна находятся самолеты.
Волновые фронты меняют форму после прохождения через линзу.

Для синусоидальная плоская волна, волновые фронты представляют собой плоскости, перпендикулярные направлению распространения, которые движутся в этом направлении вместе с волной. Для синусоидальная сферическая волна, волновые фронты представляют собой расширяющиеся вместе с ним сферические поверхности. Если скорость распространения различается в разных точках волнового фронта, форма и / или ориентация волновых фронтов может измениться на преломление. Особенно, линзы может изменять форму оптических волновых фронтов с плоской на сферическую или наоборот.

Простые волновые фронты и распространение

Оптические системы можно описать с помощью Уравнения Максвелла, и линейные распространяющиеся волны, такие как звуковые или электронные лучи, имеют аналогичные волновые уравнения. Однако, учитывая приведенные выше упрощения, Принцип Гюйгенса предоставляет быстрый метод прогнозирования распространения волнового фронта, например, через свободное место. Конструкция такова: пусть каждая точка на волновом фронте считается новой. точечный источник. 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 лучи создание нескольких волновых фронтов.[2]

Простейшей формой волнового фронта является плоская волна, где лучи параллельно для другого. Свет от этого типа волны называется коллимированный свет. Плоский волновой фронт - хорошая модель для сечения поверхности очень большого сферического волнового фронта; например, солнечный свет попадает на Землю сферическим волновым фронтом с радиусом около 150 миллионов километров (1 Австралия ). 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

Основная статья: Оптическая аберрация

Методы, использующие измерения или прогнозирование волнового фронта, можно считать передовым подходом к линзовой оптике, когда 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 идеальной поверхностью будет асферический. Подобные недостатки оптической системы вызывают то, что называется оптические аберрации. К наиболее известным аберрациям относятся: сферическая аберрация и кома.[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 аберрация 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

А датчик волнового фронта представляет собой устройство, которое измеряет аберрацию волнового фронта в когерентном сигнале для описания оптического качества или его отсутствия в оптической системе. Очень распространенный метод - использовать Шак – Хартманн линза множество. Есть много приложений, которые включают адаптивная оптика, оптической метрологии и даже измерения аберрации в глаз сам. В этом подходе слабый лазерный источник направляется в глаз, и отражение от сетчатка отбирается и обрабатывается.

Альтернативные методы измерения волнового фронта Шак – Хартманн системы появляются. 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.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Основные принципы физики, П. М. Уилан, М. Дж. Ходжсон, 2-е издание, 1978 г., Джон Мюррей, ISBN  0-7195-3382-1
  2. ^ Университетская физика - с современной физикой (12-е издание), Х. Д. Янг, 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), R.G. Лернер, Г.Л. Тригг, издатели VHC, 1991, ISBN (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1, ISBN (VHC Inc.) 0-89573-752-3

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, Л. Х. Гринберг, Holt-Saunders International W. B. Saunders and Co, 1978, ISBN  0-7216-4247-0
  • Принципы физики, Дж. Б. Марион, В. Ф. Хорняк, Международный колледж Сондерса Холт-Сондерс, 1984 г., ISBN  4-8337-0195-2
  • Введение в электродинамику (3-е издание), Д. Дж. Гриффитс, Pearson Education, Дорлинг Киндерсли, 2007 г., ISBN  81-7758-293-3
  • Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры, Y.B Band, John Wiley & Sons, 2010 г., ISBN  978-0-471-89931-0
  • The Light Fantastic - Введение в классическую и квантовую оптику, И. Р. Кеньон, Oxford University Press, 2008 г., ISBN  978-0-19-856646-5
  • Энциклопедия физики Макгроу Хилла (2-е издание), К. Б. Паркер, 1994, ISBN  0-07-051400-3
  • Арнольд В. И. (1990). Особенности каустик и волновых фронтов.. Математика и ее приложения. 62. Дордрехт: Springer, Нидерланды. Дои:10.1007/978-94-011-3330-2. ISBN  978-1-4020-0333-2. OCLC  22509804.

Журналы

внешняя ссылка

  • Световые трубы - Свободный Unix программное обеспечение для распространения волнового фронта