جبهة الموجة

الموسوعة الحرة

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.

إن جبهات الموجة المستوية هي مستويات .
تتغير جبهات الموجات بعد مرورها عبر عدسة.

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.

جبهات الموجات البسيطة وانتشارها

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 ]

الأشعة والجبهات الموجية

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.

انحرافات جبهة الموجة

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.

تقنيات استشعار وإعادة بناء جبهة الموجة

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:

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.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ المبادئ الأساسية للفيزياء ، بي إم ويلان، إم جيه هودجسون، الطبعة الثانية، 1978، جون موراي، رقم ISBN 0-7195-3382-1
  2. ↑ رابابورت، ثيودور سكوت (2002). الاتصالات اللاسلكية: المبادئ والتطبيق ( الطبعة الثانية). برنتيس هول. ص 126. ISBN   978-0130422323.
  3. ↑ فيزياء الجامعة - مع الفيزياء الحديثة (الطبعة الثانية عشرة)، إتش دي يونغ، آر إيه فريدمان (الطبعة الأصلية)، أديسون-ويسلي (بيرسون الدولية)، الطبعة الأولى: 1949، الطبعة الثانية عشرة: 2008، رقم ISBN 0-321-50130-6، ISBN 978-0-321-50130-1
  4. ^ موسوعة الفيزياء (الطبعة الثانية) ، آر جي ليرنر ، جي إل تريج، ناشرو VHC، 1991، ISBN (Verlagsgesellschaft) 3-527-26954-1، ISBN (VHC Inc.) 0-89573-752-3
  5. ↑ ليانغ، جونزونغ؛ غريم، برنارد؛ غولز، ستيفان؛ بيل، جوزيف ف. (1994-07-01). "القياس الموضوعي لانحرافات الموجة في العين البشرية باستخدام مستشعر جبهة الموجة هارتمان-شاك" . مجلة الجمعية البصرية الأمريكية أ . 11 (7): 1949-1957 . Bibcode : 1994JOSAA..11.1949L . doi : 10.1364/JOSAA.11.001949 . ISSN 1084-7529 . PMID 8071736 .  
  6. وو ، ييتشنغ؛ شارما، مانوج كومار؛ فيراراغافان، أشوك (1 مايو 2019). "WISH: مستشعر تصوير الجبهة الموجية عالي الدقة" . الضوء: العلوم والتطبيقات . 8 (1): 44. Bibcode : 2019LSA.....8...44W . doi : 10.1038/s41377-019-0154-x . ISSN 2047-7538 . PMC 6491653 .  
  7. ^ أوليفا جارسيا، ريكاردو. كايروس، كارلوس؛ تروخيو-إشبيلية، خوان م؛ فيلاسكو أوكانيا، ميريام؛ رودريغيز راموس، خوسيه مانويل (25/07/2023). "استشعار واجهة الموجة في الوقت الفعلي بدقة عالية باستخدام عدسة قابلة للضبط كهربائيًا" . أجهزة الاستشعار (بازل، سويسرا) . 23 (15): 6651. بيب كود : 2023Senso..23.6651O . دوى : 10.3390/s23156651 . ردمك 1424-8220 . بمك 10422218 . بميد 37571437 .   
  8. ↑ موغنييه، لوران م.؛ بلان، أماندين؛ إيدييه، جيروم (2006-01-01)، "تنوع الطور: تقنية لاستشعار جبهة الموجة والتصوير المحدود بالحيود" ، في هوكس، بيتر (محرر)، التقدم في التصوير وفيزياء الإلكترون ، المجلد 141، إلسيفير، الصفحات 1-76 ، Bibcode : 2006AdIEP.141....1M ، doi : 10.1016/S1076-5670(05)41001-0 ، ISBN   978-0-12-014783-0تم الاطلاع عليه بتاريخ 10 أكتوبر 2025
  9. ↑ نوريس، بارنابي آر إم؛ وي، جين؛ بيترز، كريستوفر إتش؛ وونغ، أليسون؛ ليون-سافال، سيرجيو جي. (2020-10-21). "مستشعر جبهة الموجة الضوئي بالكامل في المستوى البؤري" . نيتشر كوميونيكيشنز . 11 (1): 5335. arXiv : 2003.05158 . Bibcode : 2020NatCo..11.5335N . doi : 10.1038/s41467-020-19117-w . ISSN 2041-1723 . 

للمزيد من القراءة

الكتب المدرسية والكتب

  • مفاهيم الفيزياء الحديثة (الطبعة الرابعة)، أ. بيزر، الفيزياء، ماكجرو هيل (الدولية)، 1987، رقم ISBN 0-07-100144-1
  • الفيزياء مع التطبيقات الحديثة ، إل إتش غرينبيرغ، هولت-سوندرز إنترناشونال، دبليو بي سوندرز وشركاه، 1978، رقم ISBN 0-7216-4247-0
  • مبادئ الفيزياء ، جيه بي ماريون، دبليو إف هورنياك، هولت-سوندرز إنترناشونال، كلية سوندرز، 1984، رقم ISBN 4-8337-0195-2
  • مقدمة في الديناميكا الكهربائية (الطبعة الثالثة)، دي جيه غريفيث، بيرسون إديوكيشن، دورلينج كيندرسلي، 2007، رقم ISBN 81-7758-293-3
  • الضوء والمادة: الكهرومغناطيسية، والبصريات، والتحليل الطيفي، والليزر ، تأليف واي بي باند، جون وايلي وأولاده، 2010، رقم ISBN 978-0-471-89931-0
  • الضوء الرائع - مقدمة في البصريات الكلاسيكية والكمية ، بقلم آي آر كينيون، مطبعة جامعة أكسفورد، 2008، رقم ISBN 978-0-19-856646-5
  • موسوعة ماكجرو هيل للفيزياء (الطبعة الثانية)، سي بي باركر، 1994، رقم ISBN 0-07-051400-3
  • أرنولد، في. آي. (1990). حالات التفرد في الكاوستيك وجبهات الموجات . الرياضيات وتطبيقاتها. المجلد  62. دوردريخت: سبرينغر هولندا. doi : 10.1007/978-94-011-3330-2 . ISBN 978-1-4020-0333-2. OCLC 22509804 . 

المجلات