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 las aberraciones en el haz debidas a ópticas imperfectas, sucias o dañadas, o a variaciones en el medio de ganancia del láser . Este filtrado se puede aplicar para transmitir un modo transversal puro de un láser multimodo mientras se bloquean 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 se bloquean. Un aparato que sigue al filtro ve efectivamente una imagen de mayor calidad pero menor potencia de la fuente, en lugar de la fuente real directamente. Un ejemplo del uso de un filtro espacial se puede ver 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 sea 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 haz 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 de Fourier bidimensional de la distribución de intensidad transversal del haz inicial . En este contexto, el plano focal se denomina a menudo plano de transformación . La luz en el centro del patrón de transformación corresponde a una onda plana ancha y perfecta. Otra luz corresponde a la "estructura" del haz, y la luz más alejada del punto central corresponde a una 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 resultante cuando el haz pasa a través de una apertura circular . El punto se agranda porque el haz está limitado a un tamaño finito por la abertura, y los anillos se relacionan con los bordes afilados del haz creados por los bordes de la abertura. Este patrón se denomina patrón de Airy , en honor a su descubridor, George Airy .

Al alterar la distribución de la luz en el plano de transformación y utilizar otra lente para reformar el haz colimado, se puede modificar su estructura. La forma más común de hacerlo es colocar una abertura en el haz que permita el paso de la luz deseada, bloqueando la luz que corresponde a la estructura no deseada. En particular, una pequeña abertura circular o " estenopo " que solo permita el paso del punto brillante central puede eliminar casi toda la estructura fina del haz, produciendo un perfil de intensidad transversal uniforme, que puede ser casi un haz gaussiano perfecto . Con una buena óptica y un estenopo muy pequeño, incluso se podría aproximar 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 incidente, y su longitud de onda (las longitudes de onda más largas requieren aperturas mayores). Si el orificio es demasiado pequeño, la calidad del haz mejora notablemente, pero la potencia se reduce considerablemente. Si el orificio es demasiado grande, la calidad del haz puede no mejorar tanto como se desea.

El tamaño de la apertura que se puede utilizar también depende del tamaño y la calidad de la óptica. Para usar un orificio estenopeico muy pequeño, se debe emplear una lente de enfoque con un número f bajo , y lo ideal es que la lente no introduzca aberraciones significativas en el haz. El diseño de dicha lente se vuelve cada vez más difícil a medida que disminuye el número f.

En la práctica, la configuración más común consiste en utilizar una lente objetivo de microscopio para enfocar el haz y una abertura creada perforando un pequeño orificio preciso en una lámina metálica gruesa. Estos conjuntos están disponibles comercialmente.

Al omitir la segunda lente que reforma el haz colimado, la apertura del filtro se aproxima mucho a una fuente puntual intensa, lo que produce una luz que se aproxima a un frente de onda esférico . Una apertura más pequeña logra una aproximación más precisa a una fuente puntual, lo que a su vez produce un frente de onda más cercano a la forma esférica.

• Iluminación de Köhler , que aplica filtrado espacial a la luz incoherente para microscopía.
• Cámara estenopeica