Введение

Локус точек с одинаковой фазой в волне.

В физике волновой фронт волнового поля, изменяющегося во времени, представляет собой множество (локус) всех точек, имеющих одну и ту же фазу. Этот термин имеет смысл, как правило, только для полей, которые в каждой точке изменяются синусоидально во времени с одной временной частотой (в противном случае фаза определена недостаточно четко). Волновые фронты обычно перемещаются во времени. Для волн, распространяющихся в одномерной среде, волновые фронты обычно представляют собой отдельные точки; в двухмерной среде они являются кривыми, а в трехмерной – поверхностями. Для синусоидальной плоской волны волновые фронты – это плоскости, перпендикулярные направлению распространения, которые движутся в этом направлении вместе с волной. Для синусоидальной сферической волны волновые фронты – это сферические поверхности, расширяющиеся вместе с волной. Если скорость распространения различна в разных точках волнового фронта, форма и/или ориентация волновых фронтов могут изменяться в результате преломления. В частности, линзы могут изменять форму оптических волновых фронтов с плоских на сферические и наоборот. В классической физике явление дифракции описывается принципом Гюйгенса-Френеля, который рассматривает каждую точку распространяющегося волнового фронта как совокупность отдельных сферических волночек. Характерная картина дифракции наиболее выражена, когда волна от когерентного источника (например, лазера) встречает щель или апертуру, размер которой сопоставим с длиной волны, как показано на вставленном изображении. Это связано с суммированием или интерференцией различных точек на волновом фронте (или, эквивалентно, каждой волночки), которые проходят по путям разной длины до регистрирующей поверхности. Если имеется несколько близко расположенных отверстий (например, дифракционная решетка), может образоваться сложная картина с переменной интенсивностью.

Простые фронты волн и распространение

Оптические системы могут быть описаны уравнениями Максвелла, а линейные распространяющиеся волны, такие как звук или электронные пучки, имеют аналогичные волновые уравнения. Однако, учитывая вышеуказанные упрощения, принцип Гюйгенса предоставляет быстрый метод для предсказания распространения волнового фронта, например, в свободном пространстве. Построение осуществляется следующим образом: каждая точка на волновом фронте рассматривается как новый точечный источник. Путем вычисления суммарного эффекта от каждого точечного источника можно определить результирующее поле в новых точках. Многие вычислительные алгоритмы основаны на этом подходе. Частные случаи для простых волновых фронтов могут быть вычислены напрямую. Например, сферический волновой фронт останется сферическим, поскольку энергия волны переносится равномерно во всех направлениях. Эти направления потока энергии, всегда перпендикулярные волновому фронту, называются лучами, формирующими множество волновых фронтов. Простейшая форма волнового фронта – плоская волна, в которой лучи параллельны друг другу. Свет от такого типа волны называется коллимированным светом. Плоский волновой фронт является хорошей моделью для поверхностного сечения очень большого сферического волнового фронта; например, солнечный свет достигает Земли сферическим волновым фронтом с радиусом около 150 миллионов километров (1 а.е.). Для многих целей такой волновой фронт можно считать плоским на расстояниях, сопоставимых с диаметром Земли. Волновые фронты распространяются со скоростью света во всех направлениях в изотропной среде.

Аберрации фронта волны

Методы, использующие измерения или прогнозы волнового фронта, можно рассматривать как передовой подход к оптике линз, в котором единственное фокусное расстояние может отсутствовать из-за толщины линзы или дефектов. По технологическим причинам идеальная линза имеет сферическую (или тороидальную) форму поверхности, хотя теоретически идеальная поверхность была бы асферической. Подобные недостатки в оптической системе приводят к так называемым оптическим аберрациям. Наиболее известные аберрации включают сферическую аберрацию и кому. Однако могут существовать 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 в виде дискретизированного изображения, либо в виде набора двухмерных полиномиальных членов. Минимизация этих аберраций считается желательной для многих применений в оптических системах.

Учебники и книги

Концепции современной физики (4-е издание), А. Бейзер, Физика, МакГро Хилл (Международная), 1987,
Физика с современными приложениями, Л. Гринберг, Холт Сондерс Интернэшнл, В. Б. Сондерс и Ко, 1978,
Принципы физики, Дж. Б. Марион, У. Ф. Хорньяк, Холт Сондерс Интернэшнл, Saunders College, 1984,
Введение в электродинамику (3-е издание), Д. Дж. Гриффитс, Pearson Education, Dorling Kindersley, 2007,
Свет и материя: электромагнетизм, оптика, спектроскопия и лазеры, Й. Б. Бэнд, John Wiley & Sons, 2010,
The Light Fantastic – Введение в классическую и квантовую оптику, И. Р. Кенион, Oxford University Press, 2008,
Энциклопедия физики МакГро Хилла (2-е издание), С. Б. Паркер, 1994.