Frente de onda

En física, el frente de onda de un campo de ondas variable en el tiempo es el conjunto (lugar) de todos los puntos que tienen la misma fase. El término generalmente tiene significado sólo para campos que, en cada punto, varían de forma sinusoidal 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. Para 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.

Para 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. Para una onda esférica sinusoidal, los frentes de onda son superficies esféricas que se expanden con ella. Si la velocidad de propagación es diferente en diferentes puntos de un frente de onda, la forma y/u 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 ondas esféricas individuales. El patrón de curvatura característico es más pronunciado cuando una onda de una fuente coherente (como un láser) encuentra una rendija/apertura 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, de manera equivalente, cada ondícula) que viajan por caminos de diferentes longitudes hasta la superficie de registro. Si hay múltiples aberturas estrechamente espaciadas (por ejemplo, una rejilla de difracción), puede resultar un patrón complejo de intensidad variable.

Frentes de onda simples y propagación

Los sistemas ópticos se pueden describir con las ecuaciones de Maxwell, y las ondas de propagación lineal, como el sonido o los haces de electrones, tienen ecuaciones de ondas similares. Sin embargo, dadas las simplificaciones anteriores, Huygens' El principio 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 calcular el campo resultante en nuevos puntos. Los algoritmos computacionales suelen basarse 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. Estas direcciones del flujo de energía, que siempre son perpendiculares al frente de onda, se denominan rayos y crean múltiples frentes de onda.

La forma más simple de 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 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 unos 150 millones de kilómetros (1 AU). Para muchos propósitos, dicho frente de onda puede considerarse plano en distancias del diámetro de la Tierra.

Los frentes de onda viajan con la velocidad de la luz en todas direcciones en un medio isotrópico.

Aberraciones del frente de onda

Los métodos que utilizan mediciones o predicciones de frente de onda pueden considerarse un enfoque avanzado para la óptica de lentes, donde es posible que no exista una distancia focal única debido al grosor de la lente o a imperfecciones. Por motivos de fabricación, una lente perfecta tiene una forma de superficie esférica (o toroidal), aunque, teóricamente, la superficie ideal sería asférica. Deficiencias como éstas en un sistema óptico provocan lo que se denominan aberraciones ópticas. Las aberraciones más conocidas incluyen la aberración esférica y el coma.

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 respecto de un frente de onda plano perfecto deseado se denomina aberración del frente de onda. Las aberraciones del frente de onda generalmente se describen como una imagen muestreada o como una colección de términos polinomiales bidimensionales. La minimización de estas aberraciones se considera deseable para muchas aplicaciones en sistemas ópticos.

Sensor de frente de onda y técnicas de reconstrucción

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 multitud de aplicaciones que incluyen la óptica adaptativa, la metrología óptica e incluso la medición de las aberraciones del propio ojo. En este enfoque, se dirige una fuente láser débil al ojo y se toma una muestra y se procesa el reflejo de la retina. Otra aplicación del software de reconstrucción de fase es el control de telescopios mediante el uso de óptica adaptativa.

Las técnicas matemáticas como las imágenes de fase o la detección de curvatura también son capaces de proporcionar estimaciones del 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 ópticas de frente de onda especializadas. Si bien las matrices de lentes de Shack-Hartmann están limitadas en resolución lateral al tamaño de la matriz de lentes, 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, incluidos:

• Sensor frontal de onda Shack-Hartmann: un método muy común utilizando una matriz de lentes Shack-Hartmann.
• Técnica Schlieren para el cambio de fase
• Sensor de curvatura frontal: también se llama prueba Roddier. Produce una buena corrección pero necesita un sistema ya bueno como punto de partida.
• Sensor de onda de pirámide
• Interferómetro común
• Prueba de cuchilla Foucault
• Interferómetro de jeringa multilateral
• Ronchi tester
• Interferómetro de arrastre

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