Técnicas de síntesis y aplicaciones de elementos ópticos difractivos

Resumen

Las técnicas de conformado de haces modifican un campo luminoso incidente para obtener el campo deseado a la salida de un sistema óptico. Existen numerosas técnicas para lograr esta transformación a través del uso de elementos ópticos difractivos (DOEs). Sin embargo, hay aplicaciones que requieren configuraciones de distancias pequeñas donde estas técnicas no obtienen buenos resultados. Los motivos que han impulsado la realización de esta tesis son: No hay algoritmos para conformado de haces en campo cercano que proporcionen buenos resultados. Los efectos difractivos no permiten una redirección efectiva a cortas distancias. Se propone el uso de dos DOEs en cascada para incrementar los grados de libertad y mejorar la eficiencia. Los elementos ópticos binarios son más sencillos de fabricar, por lo que una parte de la tesis se dedica a modificar los algoritmos previamente propuestos para DOEs continuos. La colimación de un haz luminoso es una aplicación específica del conformado de haces en campo cercano. Aunque existen técnicas de colimación efectivas, el uso de redes de difracción para interferometría moiré o medición directa del periodo de las autoimágenes, permite la implementación de técnicas estáticas donde no es necesario el desplazamiento de ningún elemento difractivo para la determinación del grado de colimación. Esta tesis se divide en cuatro partes. En la primera, se desarrolla una introducción general y un resumen. Éste incluye una breve revisión de los elementos ópticos difractivos y la teoría escalar de la difracción. La segunda parte aborda el conformado de haces en campo cercano. Los algoritmos iterativos basados en la transformada de Fourier se pueden usar para diseñar DOEs capaces de obtener una determinada distribución de intensidad en campo lejano. Para campo cercano, también se pueden usar estos algoritmos intercambiando la transformada de Fourier por la de Fresnel. Sin embargo, cuando la distancia entre el DOE y el plano de observación es pequeña, los resultados obtenidos no son buenos. Se ha desarrollado una técnica para la obtención de la distribución de intensidad deseada en campo cercano usando dos DOEs en tándem. Se ha diseñado un algoritmo basado en el algoritmo GerchbergSaxton tradicional para determinar la modulación de los dos DOEs. Los mejores resultados se obtienen cuando el primer DOE modula la amplitud y el segundo DOE modula la fase. Posteriormente, se ha desarrollado un algoritmo para conformado de haces en campo cercano usando un sistema de doble DOE con modulación binaria. En una primera etapa, el primer DOE es igual a la distribución de intensidad objetivo y el segundo DOE (fase) se obtiene mediante una sencilla y rápida técnica iterativa. Además, se analiza el comportamiento del algoritmo cuando el primer DOE no es igual al objetivo pero sí es una versión dilatada del mismo. En la tercera parte, se presenta un conformado de haces particular como es un haz colimado. Se desarrollan dos técnicas basadas en el efecto Talbot producido por redes de difracción. En la primera, se propone un sistema de doble red para realizar la colimación. Ésta técnica no requiere un desplazamiento transversal de la segunda red y realiza un procesamiento automático de las franjas obtenidas. Las autoimágenes de Talbot se proyectan sobre una máscara compuesta por diferentes redes de difracción desplazadas lateralmente. Dicha máscara se simula mediante software en una cámara CMOS. A partir de las señales producidas, se obtiene una figura de Lissajous de la que se determina la elipticidad y, con ella, el grado de colimación. En la segunda técnica, se propone un simple método de colimación basado en la medida del periodo de una autoimágen producida por una red de difracción. La autoimágen se adquiere con una o dos cámaras CMOS. El periodo se calcula usando la función variograma. Ambos métodos muestran una alta precisión en la colimación que iguala o mejora las técnicas actuales.