Optical beam characterisation via phase-space tomography

Resumen

En el contexto de haces ópticos cuasimonocromáticos y linealmente polarizados, la coherencia es una propiedad que cuantifica la correlación entre el campo eléctrico en dos puntos distintos del plano normal a la dirección de propagación. Los haces coherentes, que exhiben una fuerte correlación (una relación de fase constante) para cualquier par de puntos, son un caso límite dentro de la amplia variedad de haces parcialmente coherentes. Los haces parcialmente coherentes mejoran los resultados de muchas aplicaciones que originalmente fueron propuestas para haces coherentes. Por ejemplo, el empleo de haces parcialmente coherentes reduce el specke característico de haces láser en microscopía, incrementando así la calidad de imagen. En comunicaciones ópticas, los haces parcialmente coherentes son más robustos contra el ruido y aumentan la cantidad de información transmitida. A pesar de todas estas ventajas, su uso todavía no está muy extendido. El principal problema que impide su adopción a gran escala es la falta de métodos apropiados para su caracterización completa. Esto involucra la recuperación de la intensidad mutua, la función que determina la estructura espacial del haz, incluyendo su estado de coherencia.El objetivo de esta tesis es establecer técnicas eficientes para caracterizar haces parcialmente coherentes. Las técnicas deben ser adecuadas para su aplicación en situaciones cotidianas de laboratorio. Nos interesan en particular técnicas que proporcionen información útil sobre el estado de coherencia del haz en un tiempo razonable, que no requieran sistemas ópticos complicados para ser implementadas y que no hagan suposiciones sobre el estado de coherencia del haz. No obstante, las técnicas pueden aprovechar las simetrías del haz para simplificar el proceso de caracterización, siempre y cuando se provea de un método para validar experimentalmente dicha simetría en un haz desconocido.Las mayores contribuciones de esta tesis son los cuatro métodos basados en la tomografía del espacio de fases, y sus sistemas ópticos asociados, que proponemos para la caracterización de la estructura espacial de haces, incluyendo su estado de coherencia. Tres de las técnicas se especializan en haces con ciertas simetrías. La cuarta, sin embargo, está diseñada para haces sin ninguna simetría en particular. Ninguno de los métodos propuestos hace suposiciones sobre el estado de coherencia del haz. El trabajo realizado combina el estudio teórico, el desarrollo de algoritmos y sistemas ópticos, la simulación numérica y la realización experimental de cada técnica propuesta.Las técnicas de tomografía en el espacio de fases propuestas satisfacen ampliamente los objetivos de la tesis. No solo hemos identificado y explotado simetrías de haces que simplifican el proceso de caracterización, sino que además hemos diseñado un método novedoso para la caracterización de haces generales que es más eficiente que los métodos establecidos de tomografía en el espacio de fases. Estamos convencidos de que dichas técnicas permiten la utilización de haces parcialmente coherentes en diferentes áreas del conocimiento como imagen, comunicaciones ópticas, litografía, monitorización de la atmósfera y análisis de superficies, entre otras.