В физике волновой фронт изменяющегося во времени волнового поля — это множество ( место ) всех точек , имеющих одинаковую фазу . [1] Этот термин, как правило, имеет смысл только для полей, которые в каждой точке изменяются синусоидально во времени с одной временной частотой (в противном случае фаза не будет хорошо определена).
Волновые фронты обычно движутся со временем. Для волн, распространяющихся в одномерной среде, волновые фронты обычно являются отдельными точками; в двумерной среде они представляют собой кривые , а в трехмерной — поверхности .
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 различна в разных точках волнового фронта, форма и/или ориентация волновых фронтов могут изменяться за счет рефракции . В частности, линзы могут изменять форму оптических волновых фронтов с плоской на сферическую или наоборот.
В классической физике явление дифракции описывается принципом Гюйгенса-Френеля , который рассматривает каждую точку в распространяющемся волновом фронте как набор отдельных сферических вейвлетов . [2] Характерный изгибный рисунок наиболее выражен, когда волна от когерентного источника (такого как лазер) сталкивается со щелью/отверстием, сопоставимым по размеру с его длиной волны , как показано на вставленном изображении. Это происходит из-за добавления или интерференции различных точек на волновом фронте (или, что эквивалентно, каждого вейвлета), которые перемещаются по путям разной длины к регистрирующей поверхности. Если имеется несколько близко расположенных отверстий (например, дифракционная решетка ), может возникнуть сложный рисунок различной интенсивности.
Оптические системы можно описать уравнениями Максвелла , а линейные распространяющиеся волны, такие как звук или электронные пучки, имеют похожие 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 волновом фронте считается новым точечным источником . Вычисляя 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 уносится 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 , в которой лучи параллельны друг другу. Свет от этого типа волны называется коллимированным светом. Плоский волновой фронт является хорошей моделью для поверхностного сечения очень большого сферического волнового фронта; например, солнечный свет падает на землю сферическим волновым фронтом, имеющим радиус около 150 миллионов километров (1 а.е. ). Для многих целей такой волновой фронт можно считать плоским на расстояниях диаметра Земли.
В изотропной среде волновые фронты распространяются с одинаковой скоростью во всех направлениях.
Методы, использующие измерения или прогнозы волнового фронта, можно считать передовым подходом к оптике линз, где единственное фокусное расстояние может не существовать из-за толщины линзы или ее несовершенств. По производственным причинам идеальная линза имеет сферическую (или тороидальную) форму поверхности, хотя теоретически идеальная поверхность была бы асферической . Такие недостатки в оптической системе вызывают то, что называется оптическими аберрациями . Наиболее известные аберрации включают сферическую аберрацию и кому . [4]
Однако могут быть и 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 выборочное 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, которые включают адаптивную оптику , оптическую метрологию и даже измерение аберраций в самом глазу . При таком подходе слабый лазерный источник направляется в глаз, а отражение от сетчатки отбирается и обрабатывается. Другим применением программной реконструкции фазы является управление телескопами с помощью адаптивной оптики.
Математические методы, такие как фазовая визуализация или измерение кривизны, также способны обеспечить оценки волнового фронта. Эти алгоритмы вычисляют изображения волнового фронта из обычных изображений светлого поля в различных фокальных плоскостях без необходимости использования специализированной оптики волнового фронта. В то время как линзовые массивы Шака-Гартмана ограничены в поперечном разрешении размером линзового массива, 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 гораздо менее надежны, чем исходные 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 интерференции.