En óptica , la vergencia es el ángulo que forman los rayos de luz que no son perfectamente paralelos entre sí. Se dice que los rayos que se acercan al eje óptico a medida que se propagan convergen , mientras que los rayos que se alejan del eje divergen . 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 hará que los rayos paralelos se enfoquen y converjan 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.
En realidad, la luz no consiste en rayos imaginarios y las fuentes de luz no son fuentes de un solo punto, por lo que la vergencia generalmente se limita al simple modelado de rayos de sistemas ópticos. En un sistema real, la vergencia es producto del diámetro de una fuente de luz, su distancia a la óptica y la curvatura de las superficies ópticas. Un aumento de la curvatura provoca un aumento de la vergencia y una disminución de la distancia focal , y el tamaño de la imagen o del punto (diámetro de la cintura) será menor. Asimismo, una disminución en la curvatura disminuye la vergencia, lo que resulta en una distancia focal más larga y un aumento en el diámetro de la imagen o del punto. Esta relación recíproca entre vergencia, distancia focal y diámetro de cintura es constante en todo un sistema óptico y se denomina 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 en su lugar se debe utilizar 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 equivalen a m −1 . [1] Esto describe la vergencia en términos de potencia óptica . Para ópticas como las lentes convexas, el punto convergente de la luz que sale de la lente está en el lado de entrada del plano focal y tiene potencia óptica positiva. Para lentes cóncavas, el punto focal está en la parte posterior de la lente, o en el lado de salida del plano focal, y tiene una potencia negativa. Una lente sin potencia óptica se llama ventana óptica y 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 algún grado de divergencia, ya que las ondas que salen de estas fuentes siempre tienen algún grado de curvatura. A la distancia adecuada, estas ondas se pueden enderezar mediante el uso de una lente o espejo, creando haces colimados con una divergencia mínima, pero permanecerá cierto grado de divergencia, dependiendo del diámetro del haz frente a la distancia focal. [2] [3] Cuando la distancia entre la fuente puntual y el frente de onda se vuelve muy grande, la vergencia llega a cero, lo que significa que los frentes de onda son planos y ya no tienen ninguna curvatura detectable. La luz de estrellas distantes tiene un radio tan grande que cualquier curvatura de los frentes de onda es indetectable y no tiene vergencia. [2]
La luz también se puede representar como un conjunto de líneas que irradian en la dirección de propagación y que siempre son perpendiculares al frente de onda, llamadas "rayos". Estas líneas imaginarias de espesores infinitamente pequeños están separadas sólo por el ángulo entre ellas. En el trazado de rayos , la vergencia se puede representar como el ángulo entre dos rayos cualesquiera. Para imágenes o haces, la vergencia a menudo se describe como el ángulo entre los rayos más externos del haz ( rayos marginales ), en el borde (borde) de un cono de luz, y el eje óptico . Esta pendiente normalmente se mide en radianes . Así, 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 producir 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 la cintura") permanece constante en todo el espacio y se conoce comúnmente como invariante óptico . [4] [5]
Esta relación angular se vuelve especialmente importante con operaciones con láser como el corte o la soldadura con láser , ya que siempre existe un equilibrio entre el diámetro del punto, que afecta la intensidad de la energía, y la distancia al objeto. Cuando se desea una divergencia baja en el haz, entonces es necesario un haz de mayor diámetro, pero si se necesita un haz más pequeño uno debe conformarse con una divergencia mayor, y ningún cambio en la posición de la lente alterará esto. La única forma de lograr un punto más pequeño es utilizar 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 sólo es plenamente válida en óptica geométrica , no en óptica de haz gaussiano ni 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 al 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 desde el eje óptico. Los láseres de diodo , por ejemplo, tienen una mayor divergencia en la dirección paralela (eje rápido) que en la perpendicular (eje lento), produciendo haces con perfiles rectangulares. Este tipo de diferencia en la divergencia se puede reducir mediante métodos de conformación del haz, como el uso de una lente de varilla que solo afecta la divergencia a lo largo de una única dirección de sección transversal. [8]
Los frentes de onda que se propagan hacia un único punto producen una vergencia positiva. Esto también se conoce como convergencia , ya que todos los frentes de onda convergen en el mismo punto de enfoque. Por el contrario, los frentes de onda que se propagan desde un único punto fuente dan paso a la vergencia negativa. La vergencia negativa también se llama divergencia .
