En óptica , la vergencia es el ángulo que forman los rayos de luz que no son perfectamente paralelos entre sí. Los rayos que se acercan al eje óptico a medida que se propagan se denominan convergentes , mientras que los rayos que se alejan del eje son divergentes . Estos rayos imaginarios son siempre perpendiculares al frente de onda de la luz, por lo que la vergencia de la luz está directamente relacionada con los radios de curvatura de los frentes de onda. Una lente convexa o un espejo cóncavo harán que los rayos paralelos se enfoquen, convergiendo hacia un punto. Más allá de ese punto focal , los rayos divergen. Por el contrario, una lente cóncava o un espejo convexo harán que los rayos paralelos diverjan.
La luz no consiste realmente en rayos imaginarios y las fuentes de luz no son fuentes puntuales únicas, por lo que la vergencia se limita típicamente al modelado de rayos simple de sistemas ópticos. En un sistema real, la vergencia es un producto del diámetro de una fuente de luz, su distancia desde la óptica y la curvatura de las superficies ópticas. Un aumento en la curvatura provoca un aumento en la vergencia y una disminución en la longitud focal , y el tamaño de la imagen o el punto (diámetro de la cintura) será menor. Del mismo modo, una disminución en la curvatura disminuye la vergencia, lo que resulta en una mayor longitud focal y un aumento en el diámetro de la imagen o el punto. Esta relación recíproca entre la vergencia, la longitud focal y el diámetro de la cintura es constante en todo un sistema óptico y se conoce como invariante óptico . Un haz que se expande a un diámetro mayor tendrá un menor grado de divergencia, pero si se condensa a un diámetro menor, la divergencia será mayor.
El modelo de rayo simple falla en algunas situaciones, como en el caso de la luz láser , donde se debe utilizar en su lugar el análisis de haz gaussiano .
En óptica geométrica , la vergencia describe la curvatura de los frentes de onda ópticos. [1] La vergencia se define como
donde n es el índice de refracción del medio y r es la distancia desde la fuente puntual hasta el frente de onda. La vergencia se mide en unidades de dioptrías (D) que son equivalentes a m −1 . [1] Esto describe la vergencia en términos de potencia óptica . Para ópticas como lentes convexas, el punto de convergencia de la luz que sale de la lente está en el lado de entrada del plano focal y es positivo en potencia óptica. Para lentes cóncavas, el punto focal está en el lado posterior de la lente, o el lado de salida del plano focal, y es negativo en potencia. Una lente sin potencia óptica se llama ventana óptica , que tiene caras planas y paralelas. La potencia óptica se relaciona directamente con qué tan grandes se magnificarán las imágenes positivas y qué tan pequeñas se disminuirán las imágenes negativas.
Todas las fuentes de luz producen cierto grado de divergencia, ya que las ondas que salen de estas fuentes siempre tienen cierto grado de curvatura. A la distancia adecuada, estas ondas se pueden enderezar mediante el uso de una lente o un espejo, creando haces colimados con una divergencia mínima, pero permanecerá cierto grado de divergencia, dependiendo del diámetro del haz en relación con la longitud focal. [2] [3] Cuando la distancia entre la fuente puntual y el frente de onda se vuelve muy grande, la vergencia se vuelve cero, lo que significa que los frentes de onda son planos y ya no tienen ninguna curvatura detectable. La luz de las estrellas distantes tiene un radio tan grande que cualquier curvatura de los frentes de onda es indetectable y no tienen vergencia. [2]
La luz también puede representarse como un haz de líneas que irradian en la dirección de propagación, que siempre son perpendiculares al frente de onda, llamadas "rayos". Estas líneas imaginarias de grosores infinitamente pequeños están separadas solo por el ángulo entre ellas. En el trazado de rayos , la vergencia puede representarse como el ángulo entre dos rayos cualesquiera. Para la formación de imágenes o haces, la vergencia se describe a menudo como el ángulo entre los rayos más externos del haz ( rayos marginales ), en el borde (verge) de un cono de luz, y el eje óptico . Esta pendiente se mide típicamente en radianes . Por lo tanto, en este caso, la convergencia de los rayos transmitidos por una lente es igual al radio de la fuente de luz dividido por su distancia a la óptica. Esto limita el tamaño de una imagen o el diámetro mínimo del punto que puede producirse con cualquier óptica de enfoque, que está determinado por el recíproco de esa ecuación; la divergencia de la fuente de luz multiplicada por la distancia. Esta relación entre la vergencia, la distancia focal y el diámetro mínimo del punto (también llamado "diámetro de cintura") permanece constante en todo el espacio y se conoce comúnmente como invariante óptico . [4] [5]
Esta relación angular se vuelve especialmente importante en operaciones con láser, como el corte o la soldadura láser , ya que siempre hay un equilibrio entre el diámetro del punto, que afecta la intensidad de la energía, y la distancia al objeto. Cuando se desea una baja divergencia en el haz, entonces es necesario un haz de mayor diámetro, pero si se necesita un haz más pequeño, uno debe conformarse con una mayor divergencia, y ningún cambio en la posición de la lente alterará esto. La única forma de lograr un punto más pequeño es usar una lente con una distancia focal más corta o expandir el haz a un diámetro mayor. [6]
Sin embargo, esta medida de la curvatura de los frentes de onda solo es completamente válida en óptica geométrica , no en óptica de haz gaussiano o en óptica ondulatoria , donde el frente de onda en el foco depende de la longitud de onda y la curvatura no es proporcional a la distancia desde el foco. En este caso, la difracción de la luz comienza a desempeñar un papel muy activo, limitando a menudo el tamaño del punto a diámetros aún mayores, especialmente en el campo lejano . [7] Para fuentes de luz no circulares, la divergencia puede diferir dependiendo de la posición de la sección transversal de los rayos con respecto al eje óptico. Los láseres de diodo , por ejemplo, tienen mayor divergencia a través de la dirección paralela (eje rápido) que de la perpendicular (eje lento), produciendo haces con perfiles rectangulares. Este tipo de diferencia en la divergencia se puede reducir mediante métodos de modelado del haz, como el uso de una lente de varilla que solo afecta la divergencia a lo largo de una única dirección de la sección transversal. [8]
Los frentes de onda que se propagan hacia un único punto dan lugar a una vergencia positiva. Esto también se denomina convergencia , ya que todos los frentes de onda convergen hacia el mismo punto de enfoque. Por el contrario, los frentes de onda que se propagan a partir de un único punto de origen dan lugar a una vergencia negativa. La vergencia negativa también se denomina divergencia .
