波前 wavefronts

2022-10-21 14:40:50 浏览:582

定义

波前是连接具有相同相位的单色波的点的表面。例如,可以选择所有那些达到振荡周期内最大振荡量(例如,声波的最大气压或光波的最大正电场强度)的点。但是,也可以选择任何其他相位值。

数学上最简单的例子是平面波,其中波前是平面。作为一个物理上更现实的例子,这也是光学中一个非常常见的情况,我们可以采用高斯光束。图1显示了其颜色编码的复数振幅曲线:

图 1:高斯光束的颜色编码复数振幅剖面。

图 2 显示了相应的波前,选择为最深的红色点:

图 2:高斯光束在特定时刻的相位前沿。

这些波前仅在特定时刻有效;它们随相位速度传播。(对于在真空或空气中传播的光,相位速度略小于300 000 km / s。在介质中,该速度在大多数情况下较低,在少数情况下较高(→超光速传输),并且它可能偏离群速度,即移动波包的速度。

在我们的简单示例中,波前在梁腰部(在图的中间)中是完全平坦的。对于光束质量不完美的光束,情况并非如此(见下文)。

与振幅图像相反,波前不包含任何有关波幅的信息,而仅包含有关相位结构的信息。在实践中,人们经常停止在光束的外部区域绘制它们,在这些区域中,光学强度变得非常弱,或者不再感兴趣。

通常,后续波前之间的间距被视为波长。然而,确切地说,这只适用于平面波,而不适用于高斯光束。

各种细节

波前在波光学中起着重要作用。然而,请注意,波前通常只针对单色波进行定义,因为它们基于相位的概念,而相位的概念并没有为多色波明确定义。在这种情况下,人们仍然可以考虑特定光学频率分量的波前。

波矢量始终垂直于波前。对于具有弯曲波前的一般光束,其方向和大小可能取决于位置。

在各向同性光学材料中,光能总是沿平行于波矢量的方向传播,即垂直于波前。这在各向异性介质中通常是不正确的,在各向异性介质中,人们可能有一个空间走线。该效应与某些非线性晶体材料中的非线性变频过程有关;通常,这些需要是各向异性的。

各种类型的光学元件的基本功能是修改光束的波前。例如,透镜可以改变波前曲率,使原始准直光束聚焦,或者原始发散光束准直或重新聚焦。在光的折射和衍射的背景下,也可能发生强烈的波前变化。例如,波前通常在发生折射的光学界面处改变其方向。

在许多情况下,技术上最好保持波前具有平滑和简单的形状,例如接近抛物线或球形。例如,这与激光束的平滑振幅剖面一起产生高光束质量,这意味着这种波可以相对很好地聚焦到小区域。波前质量也与空间相干程度有关。

许多激光器可以产生具有非常高光束质量的光束。然而,各种效应(例如激光晶体中的热透镜或质量差的光学元件)会导致或多或少严重的波前失真,也称为波前像差或波前误差。光学像差也是光学成像背景下的一个重要课题。

波前和波前误差在干涉现象领域尤为重要,因为光学相位至关重要。

有各种类型的光学波前传感器(例如Shack-Hartmann波前传感器),可以使用它们来测量波前的形状。自适应光学涉及基于测量波前并作用于波前的方法,例如使用可变形的反射镜。

可以使用各种光学扩散器对波前进行强烈扰动。

基础光学

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