Analizador de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos.

Analizador de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos.

La invención consta de un dispositivo electro-óptico programable y de un procedimiento que permite caracterizar de forma completa y precisa tanto haces, en los rangos visible, infrarrojo cercano y ultravioleta cercano, coherentes como parcialmente coherentes, resolviendo el problema de la caracterización de estos últimos.

El dispositivo consta de cuatro lentes cilíndricas alojadas en monturas rotatorias motorizadas y de una cámara digital (tipo CCD/CMOS). Se generan y adquieren proyecciones de la distribución de Wigner del haz en tiempo real, a partir de las cuales éste queda caracterizado. Estas proyecciones sirven para clasificar el haz bajo estudio según su simetría y propiedades de coherencia y extraer la información de su estructura espacial. Para ello se emplea un ordenador. La invención tiene aplicación industrial en telecomunicaciones ópticas, en sistemas de formación de imagen y litografía, en fabricación de dispositivos láser, LED, etc.

Analizador de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos.

SECTOR DE LA TÉCNICA

Esta tecnología se encuadra en el sector de la Óptica, más concretamente en el sector de la caracterización de los haces luminosos en el rango visible (entre 390 nm y 750 nm) , infrarrojo cercano (entre 750 nm y 1700 nm) así como ultravioleta cercano (entre 290 nm y 390 nm) generados por dispositivos láser, LEO, etc.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Numerosas e importantes aplicaciones prácticas tanto en ciencia como en industria emplean como herramienta fundamental la luz, en el rango del espectro visible, infrarrojo cercano así como ultravioleta cercano. Entre esas aplicaciones destacan, por ejemplo, las telecomunicaciones ópticas, formación de imagen en biomedicina, etc. Resulta de especial importancia la caracterización espacial de haces ópticos, como el láser o LEO, por su enorme repercusión en dichas aplicaciones. Para ello es necesario obtener la mayor cantidad de información de ellos y con la máxima precisión posible.

Existen numerosas técnicas para realizar la caracterización de la estructura espacial de tales haces de luz. Actualmente, la técnica de caracterización comúnmente aplicada es la norma ISO 11146, publicada en 2004, basada en la determinación de los diez momentos de segundo orden de la distribución de Wigner (OW) del haz realizada por Nemes y Siegman (J. Opto SOCo Am., 1994) . Dichos momentos se calculan a partir de las medidas de intensidad del haz en cuatro planos perpendiculares a la dirección de su propagación. En dicho método, al menos en una de las medidas del haz se tiene que emplear una lente cilíndrica. Esto permite obtener información diversa del haz como su anchura, divergencia así como otros parámetros que definen cuantitativamente su calidad óptica.

Es importante destacar que los momentos proporcionan tan sólo una descripción global de haz. Por el contrario, la distribución de Wigner sí que proporciona una información completa acerca de los haces cuasimonocromáticos y escalares dentro del régimen paraxial, que es precisamente el modelo adecuado para caracterizar los haces láser o LEO empleados en las aplicaciones anteriormente mencionadas.

Además la distribución de Wigner se puede aplicar para la caracterización de haces luminosos tanto completamente como parcialmente coherentes, lo que resulta enormemente ventajoso en dichas aplicaciones. El haz coherente se puede caracterizar completamente reconstruyendo su fase. Sin embargo, el problema técnico más difícil es caracterizar haces parcialmente coherentes, los cuales contienen más información útil que los anteriores.

Empleando tecnologías ópticas sólo es posible medir directamente las proyecciones de la DW, a partir de las cuales se puede, por ejemplo, reconstruir la fase de haces completamente coherentes. Es precisamente esta información de la fase del haz la que permite la obtención de imágenes de forma cuantitativa en el campo de la microscopia biomédica actual, lo que resulta de gran utilidad en diagnóstico de especímenes.

También es posible reconstruir la DW a partir de sus propias proyecciones aplicando métodos tomográficos y, por lo tanto, la intensidad mutua (1M) en el caso de haces parcialmente coherentes. Existen alternativas basadas en métodos interferométricos para realizar tanto la reconstrucción de la fase del haz como de la reconstrucción de la 1M.

Sin embargo, estos métodos interferométricos, en el caso de la 1M, son energéticamente poco eficientes. En general, estos procedimientos no son mecánicamente robustos frente a vibraciones en entornos industriales. Por ello hay un gran interés en desarrollar un procedimiento y dispositivo capaz de realizar ambas tareas de forma fiable, como por ejemplo el basado en las proyecciones de la DW.

A pesar de que la idea de la reconstrucción tomográfica de la DW fue propuesta y demostrada experimentalmente en un ejemplo sencillo por Raymer et al (Phys. Rev. Lett., 1994) , la aplicación de esta técnica en la tecnología óptica y fotónica actual es escasa debido a la falta de dispositivos versátiles y eficientes para llevar a cabo su implementación práctica en industria y en ciencia. Además, reconstruir la DW empleando dicho método es muy complejo ya que requiere recursos computacionalmente excesivos dado que la DW es una función de cuatro variables. Así pues, también es necesario desarrollar un modelo teórico que permita llevar a cabo esta tarea eficazmente.

Recientemente, los autores han desarrollado un sistema óptico que consiste en la combinación de cuatro lentes cilíndricas estándar y que permite medir el conjunto de proyecciones de la DW, Rodrigo et al. (J. Soco Opto Am., 2007) . Este sistema tan sólo se ha empleado para recuperar la fase de haces coherentes, Rodrigo et al. (Opt. Express, 2009) , y para realizar la caracterización de haces cuya estructura espacial es separable (simetría) en coordenadas cartesianas, Cámara et al. (J. Opt. Soco Am., 2009) . Los haces separables se emplean menos en aplicaciones industriales, comparando con los haces rotacionalmente simétricos. Sin embargo, la caracterización de haces rotacionalmente simétricos, especialmente en el caso parcialmente coherentes, constituye un problema técnico de relevancia aún por resolver.

Alieva y Bastiaans (J. Opto Soco Am., 2012) abarcan este problema desde un punto de vista teórico para reconstruir la DW de haces rotacionalmente invariantes, aunque no proponen un método práctico para su solución. Por otro lado, cabe mencionar que existen otros métodos alternativos: Agarwal y Simon (Opt. Lett., 2000) , Dragoman (Opt. Lett., 2000) y Cámara et al. (Opt. Lett., 2011) ; para la reconstrucción de la DW del haz rotacionalmente invariante a partir de la medida del perfil de intensidad del haz en la dirección radial, aprovechando la invariancia de su simetría.

Sin embargo, este método no permite comprobar la hipótesis de invariancia del haz con respecto a rotación. Además conlleva importantes limitaciones: la elección de dicho perfil radial del haz y su posterior expansión requiere más energía y produce ciertos errores que alteran significativamente la reconstrucción de la DW del haz.

y lo que resulta ser más grave es que es aplicable tan sólo para haces que no transportan momento orbital angular (MOA) . Nótese que el momento orbital angular es una propiedad de un cierto tipo de haces (conocidos como vórtices ópticos en la literatura) que son muy útiles en numerosas aplicaciones prácticas en áreas como la biomedicina, Padgett et al. (Nature Photonic, s 2011) , y como las telecomunicaciones ópticas, J.P. Torres et al. ("Twisted Photons", John Wiley & Sons, 2011) , Z. Wang et al. (Opt. Express, 2011) , Su et al. (Opt. Express, 2012) y Jian Wang et al. (Nature Photonics, 2012) .

De hecho existe un gran número de publicaciones en la literatura científica dónde se demuestra la gran relevancia que tienen los vórtices ópticos. Cabe destacar que los haces parcialmente coherentes con MOA codifican un mayor volumen de datos permitiendo el desarrollo de telecomunicaciones más eficientes, Jian Wang et al. (Nature Photonics, 2012) .

Otro problema técnico consiste en distinguir entre los haces completa y parcialmente coherentes. No se ha desarrollado un modelo ni método experimental eficaz que lo resuelva completamente.

EXPLICACiÓN DE LA INVENCiÓN

La invención trata de un dispositivo electro-óptico programable y del procedimiento que permite explotar eficientemente todas sus ventajas para realizar la caracterización completa, cuantitativa y precisa, de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos en el rango visible (entre 390 nm y 750 nm) , infrarrojo cercano (entre 750 nm y 1700 nm) así como ultravioleta cercano (entre 290 nm y 390 nm) .

La invención está basada en el sistema óptico desarrollado por los autores en Rodrigo et al. (J. Opto Soco Am., 2007) el cuál permite sólo medir un conjunto de proyecciones de la DW del haz. Sin embargo, el dispositivo de la invención que ahora se propone permite medir automáticamente todos los conjuntos de proyecciones que caracterizan completamente el haz.

La invención se distingue de las mencionadas en el estado de la técnica porque resuelve el problema de la caracterización de haces gracias a que permite distinguir y procesar cada tipo de haz de acuerdo a sus propiedades de simetría y coherencia espacial. Dichas propiedades se determinan gracias al empleo de un método original de diagnóstico y clasificación incluido en la invención.

Al contrario que los métodos descritos en el estado de la técnica, este proceso puede realizarse de forma...

1. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos caracterizado porque comprende:

hacer pasar un haz luminoso a través del analizador, atravesando primero la primera pareja L 1 de lentes (1) , después la segunda pareja L2 de lentes (1) Y llegando a la cámara digital (3) , según el eje longitudinal del dispositivo;

rotar automáticamente las monturas rotatorias (2) para rotar las dos lentes (1) de la pareja L 1 Y de las dos lentes (1) de la pareja L2 según unos ángulos prefijados;

-generar un conjunto de proyecciones de la distribución de Wigner (DW) del haz;

medir y registrar el conjunto de proyecciones de la distribución de Wigner (DW) del haz con la cámara digital (3) ;

procesar el conjunto de proyecciones de la distribución de Wigner (DW) del haz;

clasificar los haces según sus propiedades de simetría y coherencia espacial;

sustituir las lentes (1) Y del sensor de la cámara digital (3) según el rango del espectro del haz bajo estudio.

2. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 1 caracterizado porque en la fase de rotación las lentes cilíndricas van rotando de acuerdo al

parámetro a E [" / 2, 3" / 2] Y fJ E [O, , , ] de la transformación matemática que describe la obtención de proyecciones.

3. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según las reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque en la fase de rotación las lentes cilíndricas de la pareja L 1 rotan con un ángulo l/ll ± f3 determinado por la expresión 2sin (2fjJ¡) = cot (a / 2) , mientras que las lentes de la pareja L2 rotan con un ángulo l/l2 ±f3 que deriva de la expresión 2l/l2 = a .

4. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según las reivindicaciones 1, 2 Y 3 caracterizado porque en la fase de rotación ser realizan N rotaciones correspondientes a un valor fijo de ~ y a variable y porque hay tantos conjuntos de proyecciones como Mvalores diferentes de ~.

5. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 1 caracterizado porque en las fases de clasificación se utiliza un algoritmo que proporciona datos de la intensidad y la fase del haz, para los haces coherentes, y la distribución de Wigner y la intensidad mutua, para los haces parcialmente coherentes.

6. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 1 caracterizado porque la rotación automática de las lentes (1) se sustituye por una rotación manual.

7. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 1 caracterizado porque la medida y registro de las proyecciones de la DW se hace en tiempo real.

8. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 1 caracterizado porque en la fase de sustitución de las lentes se eligen lentes (1) y un sensor de la cámara digital (3) para trabajar en el rango espectral del visible, entre 390 nm y 750 nm.

9. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 1 caracterizado porque en la fase de sustitución de las lentes se eligen lentes (1) Y un sensor de la cámara digital (3) para trabajar en el rango espectral del infrarrojo cercano, entre 750 nm y 1700 nm.

10. Procedimiento automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 1 caracterizado porque en la fase de sustitución de las lentes se eligen lentes (1) y un sensor de la cámara digital (3) para trabajar en el rango espectral del ultravioleta cercano, entre 290 nm y 390 nm.

11. Aparato automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos para llevar a cabo el procedimiento según las reivindicaciones 1 a 10 caracterizado porque comprende:

cuatro lentes cilí ndricas convergentes plano-convexas (1) , idénticas dos a dos, que tienen en contacto su lado plano y dispuestas correspondientemente en dos parejas independientes L 1 Y L2, separadas entre sí una distancia z;

cuatro monturas rotatorias (2) motorizadas que tienen fijadas en su interior una lente (1) cada una;

una cámara digital, situada a una distancia z con respecto a la pareja L2, quedando la pareja L2 entre la pareja L 1 Y la cámara (3) ;

cuatro varillas (4) que atraviesan a las monturas (2) por sus esquinas exteriores y que las ajustan en su posición;

un servomotor y un controlador se emplean en cada montura rotatoria (2) para la motorización de las monturas lo que permite un movimiento preciso, automático y programable de las mismas;

un algoritmo para la medida, el registro, el procesado y el análisis del conjunto de proyecciones de la DW del haz así como para la programación del giro de las monturas rotatorias (2) .

12. Aparato automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 11 caracterizado porque el montaje se realiza de forma que las lentes (1) , las monturas (2) y la cámara digital (3) estén correctamente centrados entre sí gracias a las varillas metálicas (4) que ajustan las monturas (2) correspondientes y porque todo el conjunto está fijo y sujeto a una superficie.

13. Aparato automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 11 caracterizado porque la distancia focal de las lentes (1) viene dada por la propia distancia z de la construcción del dispositivo siendo la distancia focal de las lentes de la pareja L 1 igual a z y la distancia focal de la pareja L2 igual a z/2.

14. Aparato automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 11 caracterizado porque la cámara digital es tipo CCD/CMOS.

15. Aparato automatizado de análisis de la estructura y coherencia espacial de haces luminosos según la reivindicación 11 caracterizado porque el controlador de cada montura rotatoria (2) se conecta en serie o en paralelo con el resto de controladores y porque se sincroniza la rotación de las cuatro monturas a través de una sola conexión a un ordenador.

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Fig. 1 a)

Fig. 1 b)