En física, el frente de onda de un campo de ondas que varía en el tiempo es el conjunto ( lugar geométrico ) de todos los puntos que tienen la misma fase . [1] El término generalmente tiene sentido solo para campos que, en cada punto, varían sinusoidalmente en el tiempo con una única frecuencia temporal (de lo contrario, la fase no está bien definida).
Los frentes de onda suelen moverse con el tiempo. En el caso de las ondas que se propagan en un medio unidimensional , los frentes de onda suelen ser puntos únicos; en un medio bidimensional, son curvas y en uno tridimensional , superficies .
En el caso de una onda plana sinusoidal , los frentes de onda son planos perpendiculares a la dirección de propagación, que se mueven en esa dirección junto con la onda. En el caso de una onda esférica sinusoidal, los frentes de onda son superficies esféricas que se expanden con ella. Si la velocidad de propagación es diferente en distintos puntos de un frente de onda, la forma y/o la orientación de los frentes de onda pueden cambiar por refracción . En particular, las lentes pueden cambiar la forma de los frentes de onda ópticos de planos a esféricos, o viceversa.
En física clásica , el fenómeno de difracción se describe mediante el principio de Huygens-Fresnel que trata cada punto en un frente de onda que se propaga como una colección de ondículas esféricas individuales . [2] El patrón de flexión característico es más pronunciado cuando una onda de una fuente coherente (como un láser) encuentra una rendija/abertura que es comparable en tamaño a su longitud de onda , como se muestra en la imagen insertada. Esto se debe a la adición, o interferencia , de diferentes puntos en el frente de onda (o, equivalentemente, cada ondícula) que viajan por caminos de diferentes longitudes hasta la superficie de registro. Si hay múltiples aberturas espaciadas estrechamente (por ejemplo, una rejilla de difracción ), puede resultar un patrón complejo de intensidad variable.
Los sistemas ópticos pueden describirse con las ecuaciones de Maxwell , y las ondas que se propagan linealmente, como los rayos de sonido o de electrones, tienen ecuaciones de onda similares. Sin embargo, dadas las simplificaciones anteriores, el principio de Huygens proporciona un método rápido para predecir la propagación de un frente de onda a través, por ejemplo, del espacio libre . La construcción es la siguiente: supongamos que cada punto del frente de onda se considera una nueva fuente puntual . Calculando el efecto total de cada fuente puntual, se puede calcular el campo resultante en nuevos puntos. Los algoritmos computacionales a menudo se basan en este enfoque. Los casos específicos de frentes de onda simples se pueden calcular directamente. Por ejemplo, un frente de onda esférico seguirá siendo esférico ya que la energía de la onda se transporta por igual en todas las direcciones. Tales direcciones de flujo de energía, que siempre son perpendiculares al frente de onda, se denominan rayos que crean múltiples frentes de onda. [3]
La forma más simple de un frente de onda es la onda plana , en la que los rayos son paralelos entre sí. La luz de este tipo de onda se denomina luz colimada . El frente de onda plano es un buen modelo para una sección de superficie de un frente de onda esférico muy grande; por ejemplo, la luz solar incide sobre la Tierra con un frente de onda esférico que tiene un radio de aproximadamente 150 millones de kilómetros (1 UA ). Para muchos propósitos, un frente de onda de este tipo puede considerarse plano en distancias del diámetro de la Tierra.
En un medio isótropo los frentes de onda viajan con la misma velocidad en todas las direcciones.
Los métodos que utilizan mediciones o predicciones de frente de onda pueden considerarse un enfoque avanzado para la óptica de lentes, donde puede no existir una única distancia focal debido al grosor o imperfecciones de la lente. Por razones de fabricación, una lente perfecta tiene una forma de superficie esférica (o toroidal), aunque, teóricamente, la superficie ideal sería asférica . Deficiencias como estas en un sistema óptico causan lo que se denomina aberraciones ópticas . Las aberraciones más conocidas incluyen la aberración esférica y la coma . [4]
Sin embargo, puede haber fuentes más complejas de aberraciones, como en un gran telescopio debido a variaciones espaciales en el índice de refracción de la atmósfera. La desviación de un frente de onda en un sistema óptico con respecto a un frente de onda planar perfecto deseado se denomina aberración de frente de onda . Las aberraciones de frente de onda se describen generalmente como una imagen muestreada o una colección de términos polinómicos bidimensionales. La minimización de estas aberraciones se considera deseable para muchas aplicaciones en sistemas ópticos.
Un sensor de frente de onda es un dispositivo que mide la aberración del frente de onda en una señal coherente para describir la calidad óptica o la falta de ella en un sistema óptico. Existen muchas aplicaciones que incluyen la óptica adaptativa , la metrología óptica e incluso la medición de las aberraciones en el propio ojo . En este enfoque, se dirige una fuente láser débil al ojo y se muestrea y procesa el reflejo de la retina . Otra aplicación de la reconstrucción de fase mediante software es el control de telescopios mediante el uso de la óptica adaptativa.
Las técnicas matemáticas como la obtención de imágenes de fase o la detección de curvatura también son capaces de proporcionar estimaciones de frente de onda. Estos algoritmos calculan imágenes de frente de onda a partir de imágenes de campo claro convencionales en diferentes planos focales sin necesidad de una óptica de frente de onda especializada. Si bien los conjuntos de lentillas Shack-Hartmann tienen una resolución lateral limitada al tamaño del conjunto de lentillas, las técnicas como estas solo están limitadas por la resolución de las imágenes digitales utilizadas para calcular las mediciones de frente de onda. Dicho esto, esos sensores de frente de onda sufren problemas de linealidad y, por lo tanto, son mucho menos robustos que el SHWFS original, en términos de medición de fase.
Existen varios tipos de sensores de frente de onda, entre ellos:
Aunque un interferómetro de división de amplitud como el interferómetro de Michelson podría llamarse un sensor de frente de onda, el término normalmente se aplica a instrumentos que no requieren un haz de referencia no aberrado con el cual interferir.