جبهة الموجة

في الفيزياء، تُعرف جبهة الموجة لحقل موجي متغير مع الزمن بأنها مجموعة ( موضع ) جميع النقاط التي لها نفس الطور . ^{[ 1 ]} يكون المصطلح ذا معنى بشكل عام فقط للحقول التي تتغير، عند كل نقطة، بشكل جيبي مع الزمن بتردد زمني واحد (وإلا فإن الطور لا يكون محددًا جيدًا).

تتحرك جبهات الموجة عادةً مع مرور الوقت. بالنسبة للموجات المنتشرة في وسط أحادي البعد ، تكون جبهات الموجة عادةً نقاطًا مفردة؛ وهي منحنيات في وسط ثنائي الأبعاد، وأسطح في وسط ثلاثي الأبعاد.

بالنسبة للموجة المستوية الجيبية ، تكون جبهات الموجة عبارة عن مستويات عمودية على اتجاه الانتشار، تتحرك في ذلك الاتجاه مع الموجة. أما بالنسبة للموجة الكروية الجيبية ، فتكون جبهات الموجة عبارة عن أسطح كروية تتمدد معها. إذا اختلفت سرعة الانتشار عند نقاط مختلفة على جبهة الموجة، فقد يتغير شكل و/أو اتجاه جبهات الموجة بفعل الانكسار . وعلى وجه الخصوص، يمكن للعدسات تغيير شكل جبهات الموجة الضوئية من مستوية إلى كروية، أو العكس.

في الفيزياء الكلاسيكية ، تُوصف ظاهرة الحيود بمبدأ هيغنز-فرينل، حيث تُعامل كل نقطة على جبهة الموجة المنتشرة كمصدر لموجات كروية ثانوية. ^{[ 2 ]} يكون نمط انحناء الموجة المميز أكثر وضوحًا عندما تصطدم موجة من مصدر متماسك (مثل الليزر) بفتحة/شق بحجم يُقارب طول الموجة . ويعود ذلك إلى تراكب أو تداخل الموجات الثانوية المنبعثة من كل نقطة على جبهة الموجة على عنصر حجب انتشار الموجة، كالفتحة/الشق. في حال وجود فتحات متعددة متقاربة (مثل محزز حيود )، قد ينتج نمط معقد ذو شدة متفاوتة.

يمكن وصف الأنظمة البصرية باستخدام معادلات ماكسويل ، وللموجات المنتشرة خطيًا، مثل الصوت أو حزم الإلكترونات، معادلات موجية مماثلة. مع ذلك، وبالنظر إلى التبسيطات المذكورة أعلاه، يوفر مبدأ هيغنز طريقة سريعة للتنبؤ بانتشار جبهة الموجة عبر الفضاء الحر ، على سبيل المثال . ويتم ذلك كما يلي: لنفترض أن كل نقطة على جبهة الموجة تمثل مصدرًا نقطيًا جديدًا . بحساب التأثير الكلي لكل مصدر نقطي، يمكن حساب المجال الناتج عند النقاط الجديدة. غالبًا ما تعتمد الخوارزميات الحسابية على هذا النهج. يمكن حساب حالات محددة لجبهات الموجة البسيطة مباشرةً. على سبيل المثال، ستبقى جبهة الموجة الكروية كروية الشكل لأن طاقة الموجة تُنقل بالتساوي في جميع الاتجاهات. تُسمى اتجاهات تدفق الطاقة هذه، والتي تكون دائمًا عمودية على جبهة الموجة، بالأشعة التي تُنشئ جبهات موجة متعددة. ^{[ 3 ]}

أبسط أشكال جبهة الموجة هو الموجة المستوية ، حيث تكون الأشعة متوازية . ويُطلق على الضوء الصادر من هذا النوع من الموجات اسم الضوء المتوازي . تُعدّ جبهة الموجة المستوية نموذجًا جيدًا لمقطع سطحي لجبهة موجة كروية كبيرة جدًا؛ فعلى سبيل المثال، يسقط ضوء الشمس على الأرض بجبهة موجة كروية يبلغ نصف قطرها حوالي 150 مليون كيلومتر ( وحدة فلكية واحدة ). ولأغراض عديدة، يمكن اعتبار جبهة الموجة هذه مستوية على مسافات تعادل قطر الأرض.

في وسط متجانس الخواص، تنتقل جبهات الموجة بنفس السرعة في جميع الاتجاهات.

تُعتبر الطرق التي تستخدم قياسات أو تنبؤات الجبهة الموجية نهجًا متقدمًا في مجال بصريات العدسات، حيث قد لا توجد مسافة بؤرية واحدة بسبب سُمك العدسة أو عيوبها. ولأسباب تتعلق بالتصنيع، تتميز العدسة المثالية بسطح كروي (أو حلقي)، مع أن السطح المثالي نظريًا يكون لا كرويًا . وتتسبب هذه العيوب في النظام البصري فيما يُعرف بالانحرافات البصرية . ومن أشهر هذه الانحرافات: الانحراف الكروي والانحراف الكروي المذنب . ^{[ 4 ]}

مع ذلك، قد توجد مصادر أكثر تعقيدًا للانحرافات، كما هو الحال في التلسكوبات الكبيرة نتيجةً للتغيرات المكانية في معامل انكسار الغلاف الجوي. يُطلق على انحراف جبهة الموجة في النظام البصري عن جبهة الموجة المستوية المثالية المطلوبة اسم انحراف جبهة الموجة . وعادةً ما تُوصف انحرافات جبهة الموجة إما بصورة مُستَشعَرة أو بمجموعة من حدود متعددة الحدود ثنائية الأبعاد. ويُعتبر تقليل هذه الانحرافات أمرًا مرغوبًا فيه للعديد من التطبيقات في الأنظمة البصرية.

مستشعر جبهة الموجة هو جهاز يقيس انحراف جبهة الموجة في إشارة متماسكة لوصف الجودة البصرية أو انعدامها في نظام بصري. ^{[ 5 ]} تتعدد تطبيقاته، بما في ذلك البصريات التكيفية ، والقياسات البصرية، وقياس الانحرافات في العين . في هذا النهج، يُوجَّه مصدر ليزر ضعيف إلى العين، ثم تُؤخذ عينات من الانعكاس عن الشبكية وتُعالَج. ومن التطبيقات الأخرى لإعادة بناء الطور بواسطة البرمجيات التحكم في التلسكوبات باستخدام البصريات التكيفية.

تُتيح التقنيات الرياضية، مثل تصوير الطور واستشعار الانحناء، تقديراتٍ لجبهة الموجة. ^{[ 6 ] [ 7 ]} تحسب هذه الخوارزميات صور جبهة الموجة من صور المجال الساطع التقليدية عند مستويات بؤرية مختلفة دون الحاجة إلى بصريات متخصصة لجبهة الموجة. ^{[ 6 ]} في حين أن مصفوفات عدسات شاك-هارتمان محدودة في الدقة الجانبية بحجم مصفوفة العدسات، فإن تقنيات كهذه لا يحدها سوى دقة الصور الرقمية المستخدمة لحساب قياسات جبهة الموجة. مع ذلك، تعاني مستشعرات جبهة الموجة هذه من مشاكل الخطية، ولذا فهي أقل متانة بكثير من مستشعر جبهة الموجة الأصلي من نوع شاك-هارتمان، من حيث قياس الطور.

توجد عدة أنواع من أجهزة استشعار الجبهة الموجية، بما في ذلك:

• مستشعر جبهة الموجة من نوع شاك-هارتمان : طريقة شائعة جدًا تستخدم مصفوفة عدسات شاك-هارتمان . ^{[ 8 ] [ 9 ]}
• مستشعر انحناء جبهة الموجة : يُسمى أيضاً اختبار رودييه. يُعطي تصحيحاً جيداً ولكنه يتطلب نظاماً جيداً بالفعل كنقطة بداية.
• مستشعر جبهة الموجة الهرمي
• مقياس التداخل ذو المسار المشترك
• اختبار فوكو ذو الحافة الحادة
• مقياس التداخل القصي متعدد الأضلاع
• جهاز اختبار رونشي
• مقياس التداخل القصي

على الرغم من أنه يمكن تسمية مقياس التداخل ذي تقسيم السعة مثل مقياس التداخل مايكلسون بمستشعر جبهة الموجة، إلا أن هذا المصطلح يستخدم عادة للأجهزة التي لا تتطلب شعاعًا مرجعيًا غير منحرف للتداخل معه.

• مبدأ هيغنز-فرينل
• مستشعر جبهة الموجة
• البصريات التكيفية
• مرآة قابلة للتشكيل
• توليف المجال الموجي
• معادلة هاميلتون-جاكوبي

• برنامج تعليمي حول تقنية AO: مستشعرات الجبهة الموجية
• استشعار الجبهة الموجية: المؤسسات والمجموعات البحثية والشركات المهتمة باستشعار الجبهة الموجية والبصريات التكيفية.