Filtro espacial
Un filtro espacial es un dispositivo óptico que utiliza los principios de la óptica de Fourier para alterar la estructura de un haz de luz u otra radiación electromagnética , típicamente luz láser coherente . El filtrado espacial se usa comúnmente para "limpiar" la salida de los láseres, eliminando aberraciones en el haz debido a ópticas imperfectas, sucias o dañadas, o debido a variaciones en el medio de ganancia del láser en sí. Este filtrado se puede aplicar para transmitir un modo transversal puro desde un láser multimodo mientras bloquea otros modos emitidos por el resonador óptico . [1] [2] El término "filtrado" indica que las características estructurales deseables de la fuente original pasan a través del filtro, mientras que las características indeseables están bloqueadas. Un aparato que sigue el filtro ve efectivamente una imagen de la fuente de mayor calidad pero de menor potencia, en lugar de la fuente real directamente. Se puede ver un ejemplo del uso de un filtro espacial en la configuración avanzada de la espectroscopia micro-Raman.
En el filtrado espacial, se utiliza una lente para enfocar el haz. Debido a la difracción , un haz que no es una onda plana perfecta no se enfocará en un solo punto, sino que producirá un patrón de regiones claras y oscuras en el plano focal . Por ejemplo, un rayo imperfecto podría formar un punto brillante rodeado por una serie de anillos concéntricos, como se muestra en la figura de la derecha. Se puede demostrar que este patrón bidimensional es la transformada bidimensional de Fourier de la distribución de intensidad transversal del haz inicial . En este contexto, el plano focal a menudo se denomina plano de transformación.. La luz en el centro mismo del patrón de transformación corresponde a una onda plana amplia y perfecta. Otra luz corresponde a la "estructura" en el haz, y la luz más alejada del punto central corresponde a la estructura con mayor frecuencia espacial . Un patrón con detalles muy finos producirá luz muy lejos del punto central del plano de transformación. En el ejemplo anterior, el gran punto central y los anillos de luz que lo rodean se deben a la estructura que resulta cuando el haz pasa a través de una abertura circular . El punto se agranda porque el rayo está limitado por la abertura a un tamaño finito, y los anillos se relacionan con los bordes afilados del rayo creados por los bordes de la abertura. Este patrón se llama patrón Airy , en honor a su descubridorGeorge Airy .
Al alterar la distribución de la luz en el plano de transformación y usar otra lente para reformar el haz colimado, se puede alterar la estructura del haz. La forma más común de hacer esto es colocar una abertura en el haz que permita que pase la luz deseada, mientras bloquea la luz que corresponde a una estructura no deseada en el haz. En particular, una pequeña abertura circular o " estenope " que pasa solo por el punto brillante central puede eliminar casi toda la estructura fina del haz, produciendo un perfil de intensidad transversal suave, que puede ser casi un haz gaussiano perfecto . Con una buena óptica y un orificio muy pequeño, uno podría incluso aproximarse a una onda plana.
En la práctica, el diámetro de la apertura se elige en función de la distancia focal de la lente, el diámetro y la calidad del haz de entrada y su longitud de onda (las longitudes de onda más largas requieren aperturas más grandes). Si el orificio es demasiado pequeño, la calidad del haz mejora considerablemente, pero la potencia se reduce considerablemente. Si el orificio es demasiado grande, es posible que la calidad del haz no se mejore tanto como se desea.
El tamaño de apertura que se puede utilizar también depende del tamaño y la calidad de la óptica. Para usar un orificio muy pequeño, se debe usar una lente de enfoque con un número f bajo , y lo ideal es que la lente no agregue aberraciones significativas al haz. El diseño de una lente de este tipo se vuelve cada vez más difícil a medida que disminuye el número f.
En la práctica, la configuración más comúnmente utilizada es usar una lente de objetivo de microscopio para enfocar el rayo, y una apertura hecha perforando un agujero pequeño y preciso en una pieza de lámina de metal gruesa. Tales conjuntos están disponibles comercialmente.
