En óptica geométrica , un haz de luz es una línea a lo largo de la cual se transfiere energía luminosa. Menos claramente, pero más claramente, un haz de luz de pequeño tamaño transversal puede llamarse haz de luz.
El concepto de haz de luz es una aproximación fundamental de la óptica geométrica. Esta definición implica que la dirección del flujo de energía radiante (la trayectoria del haz de luz) no depende de las dimensiones transversales del haz de luz. Debido al hecho de que la luz es un fenómeno ondulatorio, tiene lugar la difracción y, como resultado, un estrecho haz de luz no se propaga en ninguna dirección, sino que tiene una distribución angular finita.
Sin embargo, en aquellos casos en los que las dimensiones transversales características de los haces de luz son suficientemente grandes en comparación con la longitud de onda, se puede despreciar la divergencia del haz de luz y suponer que se propaga en una sola dirección: a lo largo del haz de luz.
El concepto de haz de luz también puede derivarse de una rigurosa teoría ondulatoria de la luz en el marco de la llamada aproximación eikonal . En esta aproximación, se supone que todas las propiedades del medio a través del cual pasa la luz cambian muy poco a distancias del orden de la longitud de onda de la luz. Como resultado, una onda electromagnética en un medio puede considerarse localmente como una parte de un frente de onda plano con algún vector de velocidad de grupo específico (que, por definición, es responsable de la transferencia de energía). Así, el conjunto de todos los vectores de velocidad del grupo forma un determinado campo vectorial. Las curvas espaciales tangentes a este campo en cada punto se denominan rayos de luz. Las superficies ortogonales en cada punto al campo de velocidad de grupo se denominan superficies de onda .
En la aproximación eikonal, en lugar de la ecuación para una onda electromagnética, es posible obtener una ecuación para la propagación de un flujo de luz (es decir, para el cuadrado de la amplitud de una onda electromagnética): la ecuación eikonal . Las soluciones de la ecuación eikonal son precisamente los rayos de luz emitidos desde un punto dado.
Si las propiedades del medio no dependen de las coordenadas (es decir, si el medio es homogéneo), entonces los rayos de luz son rectos. Esto se sigue directamente de la aproximación eikonal de la óptica ondulatoria, sin embargo, es conveniente formular lo mismo puramente en términos de óptica geométrica usando el principio de Fermat . Vale la pena enfatizar, sin embargo, que la aplicabilidad del propio principio de Fermat al curso de los rayos de luz se justifica solo en el nivel de la óptica ondulatoria.
Es obvio que las leyes de la óptica geométrica no pueden ayudar en los casos en que un medio es reemplazado abruptamente, a distancias menores que la longitud de onda de la luz, por otro medio. En particular, la óptica geométrica no puede responder a la pregunta de por qué debería haber refracción o reflexión de la luz. La óptica ondulatoria proporciona respuestas a estas preguntas, pero la ley resultante de la refracción de la luz y la ley del reflejo de la luz pueden formularse nuevamente en el lenguaje de la óptica geométrica.
Un conjunto de rayos de luz cercanos se puede considerar como un rayo de luz . Las dimensiones transversales del haz de luz no tienen por qué permanecer invariables, ya que en el caso general diferentes haces de luz no son paralelos entre sí.
Un caso importante de haces de luz son los haces homocéntricos , es decir, esos haces de luz, todos cuyos rayos se cruzan en algún punto del espacio. Dichos haces de luz pueden obtenerse formalmente de una fuente de luz puntual o de un frente de luz plano usando una lente ideal . Los problemas de imagen estándar en los sistemas ópticos utilizan solo las propiedades de dichos haces.
Los paquetes no homocéntricos no convergen en un punto del espacio. En cambio, cada pequeña sección de dicho haz converge en su foco. El lugar geométrico de todos estos focos de poleas no homocéntricas se denomina cáustico .