Równanie Fraunhofera
Równanie Fraunhofera (czasami określane jako równanie fali w przybliżeniu parafalnym) jest jedną z podstawowych równań opisujących rozchodzenie się fal elektromagnetycznych w ośrodkach o zmiennym współczynniku załamania. Wywodzi się ono z równań Maxwella przy zastosowaniu przybliżenia parafalicznego i jest szeroko stosowane w optyce, dyfrakcji oraz interferometrii.
Historia
Równanie nosi imię po niemieckim fizyku i optyku Augustie Fraunhoferze, który w XIX wieku przeprowadził szereg eksperymentów związanych z dyfrakcją i spektroskopią. Jego badania przyczyniły się do sformułowania przybliżenia opisującego falę świetlną w pobliżu punktu ogniskowania soczewki, co później zostało ujęte w postaci matematycznej – równania Fraunhofera.
Formulacja matematyczna
W najprostszej postaci równanie Fraunhofera opisuje skalarne pole falowe U(x,y,z) w ośrodku o jednorodnym współczynniku załamania n:
∇_⊥²U + 2ik ∂U/∂z = 0,
gdzie:
- ∇_⊥² = ∂²/∂x² + ∂²/∂y² – operator Laplace’a w płaszczyźnie prostopadłej do osi z,
- k = 2πn/λ – liczba falowa w ośrodku (prędkość światła c i długość fali λ),
- i – jednostka urojenia.
Równanie to jest uproszczeniem pełnego równania falowego:
∇²U + k²U = 0,
przy założeniu, że zmiany pola wzdłuż osi z są powolne w porównaniu z długością fali (tzw. przybliżenie parafalne).
Derivation (wyprowadzenie)
Wyprowadzenie równania Fraunhofera rozpoczyna się od zapisu pełnego równania falowego:
∇²E - μ₀ε₀ ∂²E/∂t² = 0,
gdzie E jest polem elektrycznym. Zakładając jednorodny, liniowy ośrodek i harmoniczny czasowy zależny od e^{-iωt}, otrzymujemy:
∇²E + k²E = 0.
Następnie wprowadzamy reprezentację pola w postaci:
E(x,y,z) = U(x,y,z)·e^{ikz},
gdzie czynnik U opisuje powolną (w porównaniu do e^{ikz}) modulację amplitudy. Podstawiając i pomijając wyrazy drugiego rzędu względem ∂U/∂z (przybliżenie parafalne) dochodzimy do równania Fraunhofera.
Rozwiązania
Najbardziej znane rozwiązania równania Fraunhofera obejmują:
- Fala płaska – trywialne rozwiązanie U = const.;
- Gaussian beam (wiązka Gaussa) – opisuje rozprzestrzenianie się wiązki laserowej:
U(r,z)=U₀ \frac{w₀}{w(z)} \exp\!\Bigl[-\frac{r²}{w²(z)}\Bigr] \exp\!\Bigl[-ik\frac{r²}{2R(z)}\Bigr] \exp\!\bigl[i\zeta(z)\bigr],gdzie r = √(x²+y²), w(z) to promień wiązki, R(z) promień krzywizny frontu falowego, a ζ(z) – faza Guoy’a. - Funkcje Hermite’a-Gaussa (wiązki o trybach prostokątnych) oraz Laguerre’a-Gaussa (wiązki o symetrii kołowej).
Zastosowania
Równanie Fraunhofera znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach:
- Optyka projektowa – analiza systemów optycznych (obiektywów, mikroskopów);
- Dyfrakcja i interferometria – opisanie wzorów dyfrakcyjnych w przybliżeniu parafalnym;
- Laserologia – modelowanie propagacji wiązek laserowych;
- Fotoniczne układy scalone – projektowanie falowodów i modulatorów;
- Radar i systemy LiDAR – symulacje rozprzestrzeniania się fal radiowych i świetlnych.
Ograniczenia
Równanie Fraunhofera jest przydatne jedynie wtedy, gdy spełnione są następujące warunki:
- Współczynnik załamania n zmienia się wolno wzdłuż kierunku propagacji;
- Kąt rozproszenia jest mały (θ ≪ 1 rad), co zapewnia, że przybliżenie parafalne jest uzasadnione;
- Efekty polaryzacji są pomijalne lub można je traktować osobno (równanie opisuje pole skalarne).
W sytuacjach, w których te założenia nie są spełnione, należy odwołać się do pełnych równan Maxwella lub do równania Fresnela.
Powiązane pojęcia
Źródła
Podstawową literatureczną podstawę stanowią:
- Hecht, Optics, wyd. Pearson – rozdział poświęcony przybliżeniu parafalnemu;
- Goodman, Introduction to Fourier Optics – szczegółowy opis rozwiązania Gaussa;
- Born i Wolf, Principles of Optics – klasyczna pozycja omawiająca pochodzenie równania Fraunhofera.
Patrz także
Dyfrakcja, Interferometria, Laser, Równania Maxwella, Prędkość światła.