В физике волновой фронт изменяющегося во времени волнового поля — это совокупность ( место расположения ) всех точек , имеющих одинаковую фазу . [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 четко).
Волновые фронты обычно движутся со временем. Для волн, распространяющихся в одномерной среде, волновые фронты обычно представляют собой отдельные точки; это кривые в двумерной среде и поверхности в трехмерной.
Для синусоидальной плоской волны волновые фронты представляют собой 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 в разных точках волнового фронта различна, форма и/или ориентация волновых фронтов могут измениться из-за рефракции . В частности, линзы могут менять форму оптических волновых фронтов с плоской на сферическую и наоборот.
В классической физике явление дифракции описывается принципом Гюйгенса-Френеля , который рассматривает каждую точку распространяющегося волнового фронта как набор отдельных сферических вейвлетов . [2] Характерная картина изгиба наиболее выражена, когда волна от когерентного источника (например, лазера) сталкивается с щелью/апертурой, размер которой сопоставим с ее длиной волны , как показано на вставленном изображении. Это происходит из-за сложения или интерференции различных точек волнового фронта (или, что то же самое, каждого вейвлета), которые проходят по путям разной длины к регистрирующей поверхности. Если имеется несколько близко расположенных отверстий (например, дифракционная решетка ), может возникнуть сложная картина различной интенсивности.
Оптические системы можно описать 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 следующая: Пусть каждая точка волнового фронта рассматривается как новый точечный источник . Рассчитав общий эффект от каждого точечного источника, можно вычислить результирующее поле в новых точках. Вычислительные алгоритмы часто основаны на этом подходе. Конкретные случаи для простых волновых фронтов можно вычислить напрямую. Например, сферический волновой фронт останется сферическим, поскольку энергия волны разносится одинаково во всех направлениях. Такие направления потока энергии, которые всегда перпендикулярны волновому фронту, называются лучами , создающими несколько волновых фронтов. [3]
Простейшей формой волнового фронта является плоская волна , лучи которой параллельны друг другу. Свет от этого типа волн называется коллимированным светом. Плоский волновой фронт является хорошей моделью участка поверхности очень большого сферического волнового фронта; например, солнечный свет падает на Землю сферическим волновым фронтом радиусом около 150 миллионов километров (1 а.е. ). Во многих целях такой волновой фронт можно считать плоским на расстояниях, равных диаметру Земли.
Волновые фронты движутся со скоростью света во всех направлениях в изотропной среде.
Методы, использующие измерения или прогнозирование волнового фронта, можно считать передовым подходом к оптике линз, где единое фокусное расстояние может не существовать из-за толщины или несовершенства линзы. 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 . [4]
Однако могут существовать 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 дискретное изображение, либо как набор двумерных полиномиальных членов. Минимизация этих аберраций считается желательной для многих приложений в оптических системах.
Датчик волнового фронта — это устройство, которое измеряет аберрацию волнового фронта в когерентном сигнале для описания оптического качества или его отсутствия в оптической системе. Существует множество приложений, в том числе адаптивная оптика , оптическая метрология и даже измерение аберраций самого глаза . При этом подходе слабый лазерный источник направляется в глаз, а отражение от сетчатки считывается и обрабатывается. Еще одним применением программной реконструкции фазы является управление телескопами с помощью адаптивной оптики.
Математические методы, такие как фазовая визуализация или измерение кривизны, также способны обеспечить оценку волнового фронта. Эти алгоритмы вычисляют изображения волнового фронта на основе обычных изображений светлого поля в разных фокальных плоскостях без необходимости использования специализированной оптики волнового фронта. В то время как массивы линз Шака-Хартмана ограничены в поперечном разрешении размером массива линз, такие методы ограничены только разрешением цифровых изображений, используемых для расчета измерений волнового фронта. Тем не менее, эти датчики волнового фронта страдают от проблем с линейностью и поэтому гораздо менее надежны, чем исходный SHWFS, с точки зрения измерения фазы.
Существует несколько типов датчиков волнового фронта, в том числе:
Хотя интерферометр с амплитудным расщеплением, такой как интерферометр Майкельсона , можно назвать датчиком волнового фронта, этот термин обычно применяется к приборам, которым не требуется неаберрированный опорный луч для создания помех.