frente de onda

En física, el frente de onda de un campo de onda variable en el tiempo es el conjunto ( lugar geométrico ) de todos los puntos que tienen la misma fase . ^{[ 1 ]} El término generalmente solo tiene sentido para campos que, en cada punto, varían sinusoidalmente en el tiempo con una sola frecuencia temporal (de lo contrario, la fase no está bien definida).

Los frentes de onda generalmente se mueven con el tiempo. Para las ondas que se propagan en un medio unidimensional , los frentes de onda suelen ser puntos únicos; son curvas en un medio bidimensional y superficies en uno tridimensional.

En 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 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 debido a la refracción . En particular, las lentes pueden cambiar la forma de los frentes de onda ópticos de planares a esféricos, o viceversa.

En física clásica , el fenómeno de difracción se describe mediante el principio de Huygens-Fresnel, que considera cada punto de un frente de onda propagante como una fuente de ondas esféricas secundarias. ^{[ 2 ]} El patrón característico de curvatura de onda es más pronunciado cuando una onda de una fuente coherente (como un láser) encuentra una rendija/apertura de tamaño comparable a la longitud de onda . Esto se debe a la suma, o interferencia , de ondas secundarias que emanan de cada punto del frente de onda en un elemento que bloquea la propagación de la onda, como la rendija/apertura. Si hay múltiples aberturas muy próximas entre sí (por ejemplo, una red 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 el sonido o los haces 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: Consideremos cada punto del frente de onda como una nueva fuente puntual . Al calcular el efecto total de cada fuente puntual, se puede computar el campo resultante en los nuevos puntos. Los algoritmos computacionales a menudo se basan en este enfoque. Los casos específicos para frentes de onda simples pueden calcularse 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. Dichas 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 , donde 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 la sección superficial 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 fines, dicho frente de onda puede considerarse plano en distancias del diámetro de la Tierra.

En un medio isotrópico, los frentes de onda viajan a la misma velocidad en todas las direcciones.

Los métodos que utilizan mediciones o predicciones del 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 las imperfecciones de la lente. Por razones de fabricación, una lente perfecta tiene una superficie esférica (o toroidal), aunque, teóricamente, la superficie ideal sería asférica . Deficiencias como estas en un sistema óptico causan lo que se denominan aberraciones ópticas . Las aberraciones más conocidas incluyen la aberración esférica y el coma . ^{[ 4 ]}

Sin embargo, pueden existir fuentes de aberraciones más complejas, como las que se producen en un telescopio grande debido a las variaciones espaciales en el índice de refracción de la atmósfera. La desviación de un frente de onda en un sistema óptico respecto a un frente de onda plano ideal se denomina aberración del frente de onda . Las aberraciones del frente de onda se suelen describir como una imagen muestreada o como un conjunto 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. ^{[ 5 ]} Existen muchas aplicaciones que incluyen la óptica adaptativa , la metrología óptica o la medición de las aberraciones en el 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 por software es el control de telescopios mediante el uso de óptica adaptativa.

Las técnicas matemáticas como la imagen de fase o la detección de curvatura también son capaces de proporcionar estimaciones del frente de onda. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Estos algoritmos calculan imágenes del frente de onda a partir de imágenes de campo claro convencionales en diferentes planos focales sin necesidad de óptica de frente de onda especializada. ^{[ 6 ]} Si bien las matrices de microlentes Shack-Hartmann están limitadas en resolución lateral al tamaño de la matriz de microlentes, técnicas como estas solo están limitadas por la resolución de las imágenes digitales utilizadas para calcular las mediciones del 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:

• Sensor de frente de onda Shack-Hartmann : un método muy común que utiliza una matriz de microlentes Shack-Hartmann . ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• Sensor de curvatura de frente de onda : también llamado prueba de Roddier. Proporciona una buena corrección, pero requiere un sistema que ya funcione correctamente como punto de partida.
• Sensor de frente de onda piramidal
• Interferómetro de trayectoria común
• Prueba del filo de cuchillo de Foucault
• Interferómetro de cizallamiento multilateral
• probador Ronchi
• Interferómetro de cizallamiento

Si bien un interferómetro de división de amplitud , como el interferómetro de Michelson , podría denominarse sensor de frente de onda, el término se aplica normalmente a instrumentos que no requieren un haz de referencia sin aberraciones con el que interferir.

• Principio de Huygens-Fresnel
• Sensor de frente de onda
• Óptica adaptativa
• Espejo deformable
• Síntesis de campo de ondas
• ecuación de Hamilton-Jacobi

• Tutorial de óptica adaptativa: Sensores de frente de onda
• Detección de frentes de onda: Entidades, grupos de investigación y empresas interesadas en la detección de frentes de onda y la óptica adaptativa.