Кіріспе

Толқынның бірдей фазадағы нүктелердің локусы. Физикада уақыт бойынша өзгеретін толқын өрісінің толқын фронты – бірдей фазаға ие барлық нүктелердің жиынтығы (локусы). Бұл термин әдетте тек әрбір нүктеде бір уақытты жиілікпен уақыт бойынша синусоидты түрде өзгеретін өрістер үшін ғана мағыналы (әйтпесе фаза анықталмайды). Толқын фронттары әдетте уақыт өте қозғалады. Бір өлшемді ортада таралатын толқындар үшін толқын фронттары әдетте жеке нүктелер болып табылады; екі өлшемді ортада олар қисықтар, ал үш өлшемді ортада – беттер болып табылады. Синусоидты жазық толқын үшін толқын фронттары – таралу бағытына перпендикуляр жазықтықтар, олар толқынмен бірге сол бағытта қозғалады. Синусоидты шар тәрізді толқын үшін толқын фронттары – онымен бірге кеңейетін шар тәрізді беттер. Егер толқын фронтының әртүрлі нүктелерінде таралу жылдамдығы әртүрлі болса, толқын фронтының пішіні және/немесе бағыты сыну арқылы өзгеруі мүмкін. Атап айтқанда, линзалар оптикалық толқын фронтының пішінін жазықтан шар тәріздіге немесе керісінше өзгерте алады. Классикалық физикада дифракция құбылысы Хюйгенс-Френель принципімен сипатталады, ол таралатын толқын фронтындағы әрбір нүктені жеке шар тәрізді толқыншалардың жиынтығы ретінде қарастырады. Бұл ерекше бұрылу үлгісі когерентті көзден (мысалы, лазерден) келетін толқын, оның толқын ұзындығымен салыстырылатын өлшемдегі саңылауға/апертураға кездескенде ең анық байқалады, бұл енгізілген суретте көрсетілгендей. Бұл толқын фронтындағы (немесе, баламалы түрде, әрбір толқыншаның) әртүрлі ұзындығы бар жолдармен тіркелетін бетке баратын әртүрлі нүктелердің қосылуынан немесе араласуынан туындайды. Егер бірнеше, бір-біріне жақын орналасқан саңылаулар болса (мысалы, дифракциялық тор), әртүрлі қарқынды күрделі үлгі пайда болуы мүмкін.

Қарапайым толқын майдандары мен таралуы

Оптикалық жүйелерді Максвелл теңдеулерімен сипаттауға болады, ал дыбыс немесе электрондық сәулелер сияқты сызықты таралатын толқындар ұқсас толқын теңдеулеріне ие. Дегенмен, жоғарыдағы жеңілдетулерді ескере отырып, Гюйгенс принципі, мысалы, бос кеңістікте толқын майданының таралуын болжаудың жылдам әдісін ұсынады. Құрылысы былай: толқын майданындағы әрбір нүкте жаңа нүктелік көз болып есептелінеді. Әрбір нүктелік көзден туындайтын жалпы әсерді есептеу арқылы жаңа нүктелердегі нәтижелі өрісті анықтауға болады. Есептеу алгоритмдері көбінесе осы тәсілге негізделген. Жасырау толқын майдандарының нақты жағдайларын тікелей есептеу мүмкін. Мысалы, сфералық толқын майданы энергия толқынның барлық бағытта тең бөлінуіне байланысты сфералық күйінде қалады. Энергия ағынының мұндай бағыттары, толқын майданына әрқашан перпендикуляр болатындары, сәулелер деп аталады және бірнеше толқын майдандарын құрайды. Толқынның ең қарапайым түрі – жазық толқын, онда сәулелер бір-біріне параллель болады. Осы толқыннан шығатын жарық коллимацияланған жарық деп аталады. Жазық толқын майданы өте үлкен сфералық толқын майданының беттік бөлігін модельдеуге жарамды; мысалы, күн сәулесі Жерге шамамен 150 миллион километр (1 АЕ) радиусы бар сфералық толқын майданымен түседі. Көптеген жағдайларда, мұндай толқын майданы Жер диаметрінің арақашықтығында жазық деп қарастырылуы мүмкін. Толқын майдандары изотропты ортада барлық бағытта жарық жылдамдығымен таралады.

Толқын маңының ауытқулары

Толқын фронтын өлшеу немесе болжау арқылы қолданылатын әдістерді линза оптикасының жетілдірілген тәсілі деп санауға болады, онда линзаның қалыңдығы немесе ақауларының салдарынан бір ғана фокус арақашықтығы болуы мүмкін емес. Өндірістік себептерге байланысты, мінсіз линза сфералық (немесе тороидтік) бет пішініне ие, бірақ теориялық тұрғыдан алғанда, идеалды бет асфералық болар еді. Оптикалық жүйедегі мұндай кемшіліктер оптикалық аберрациялар деп аталады. Ең белгілі аберрациялар – сфералық аберрация және кома. Дегенмен, атмосфераның сындыру көрсеткішінің кеңістікте өзгеруіне байланысты, мысалы, үлкен телескоптарда аберрациялардың күрделірек көздері болуы мүмкін. Оптикалық жүйедегі толқын фронтының қажетті, мінсіз жазық толқын фронтынан ауытқуы толқын фронтының аберрациясы деп аталады. Толқын фронтының аберрациялары көбінесе үлгіленген кескін немесе екі өлшемді полиномдық мүшелер жиынтығы түрінде сипатталады. Осы аберрацияларды азайту оптикалық жүйелердегі көптеген қолданыстар үшін қажетті деп есептеледі.

Оқулықтар мен кітаптар

Қазіргі заманғы физиканың тұжырымдамалары (4-ші басылым), А. Бейзер, Физика, МакГроу Хилл (Халықаралық), 1987,
Заманауи қолданбалары бар физика, Л. Гринберг, Холт Сондерс Халықаралық, В. Б. Сондерс және компания, 1978,
Физика қағидалары, Дж. Б. Марион, В. Ф. Хорняк, Холт Сондерс Халықаралық, Сондерс колледжі, 1984,
Электродинамикаға кіріспе (3-ші басылым), Д. Дж. Гриффитс, Пирсон білім беру, Дорлинг Киндерсли, 2007,
Жарық және материя: Электромагнетизм, оптика, спектроскопия және лазерлер, Й. Б. Бэнд, John Wiley & Sons, 2010,
«Жарықтың кереметі» – Классикалық және кванттық оптикаға кіріспе, И. Р. Кенион, Оксфорд университетінің баспасы, 2008,
МакГроу Хилл физика энциклопедиясы (2-ші басылым), C. Б. Паркер, 1994.