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Técnicas de síntesis y aplicaciones de elementos ópticos difractivos

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Herrera Fernández, José María (2016) Técnicas de síntesis y aplicaciones de elementos ópticos difractivos. [Thesis]

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Abstract

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. Esta tesis pretende analizar y profundizar los mecanismos de conformado de haces en campo cercano. Los motivos que han impulsado su realización son los siguientes: 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. Dado que las restricciones son mayores, su diseño debe refinarse para obtener resultados aceptables. 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 v el algoritmo Gerchberg–Saxton 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 quel 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. Finalmente, en la parte cuatro se recopilan las conclusiones extraídas de esta tesis así como las referencias utilizadas en su desarrollo.

Resumen (otros idiomas)

Beam shaping techniques modify an input field in order to obtain the desired output field. Numerous techniques that achieve this transformation through the use of diffractive optical elements (DOEs) are known in the state of the art. However, their performances are not acceptable for applications demanding short-distance configurations. This thesis aims to analyze and reinforce the mechanisms for near field beam shaping, as driven by the following reasons: Known algorithms do not provide good results for near-field beam shaping. Diffractive effects do not allow effective redirection at short distances. Therefore, the use of two consecutive diffractive optical elements is proposed to increase the degrees of freedom and improve efficiency. Binary diffractive optical elements are much simpler to manufacture. Thus, a part of the thesis is dedicated to modifying the previously proposed algorithms for continuous diffractive optical elements. Due to increased restrictions, their design must be refined to obtain acceptable results. The collimation of a light beam is a specific application of the near-field beam shaping. Although there are effective collimation techniques, the use of gratings for Moiré interferometry or direct measurement of the self-image period, enables the implementation of static techniques which do not require displacement of diffractive elements for determining the degree of collimation. This thesis is divided into four sections. In the first one, a general introduction and an overview of the thesis is provided. This includes a brief review on diffractive optical elements and scalar diffraction. The second section deals with beam shaping in the near field. Iterative algorithms based on Fourier transform are used for the design of diffractive optical elements, which produce a given intensity distribution, usually at the far field. For the near field, these algorithms can also be applied by substituting the Fourier transform with the Fresnel transform. However, when the distance between the DOE and the observation plane is short, the results obtained with this modification may not be valid. We hence developed a technique for obtaining the desired intensity distribution in the near field using two DOEs in tandem. We have designed an algorithm based on the standard Gerchberg–Saxton algorithm to determine the modulation of the two DOEs. The best results are obtained when the first DOE modulates vii the amplitude and the second DOE modulates the phase. Furthermore, we developed an algorithm for near-field beam shaping using a double DOE system with binary modulation. In a first stage, the first amplitude DOE is equal to the target intensity distribution and the second phase DOE is obtained using a simple and fast iterative technique. We also analyzed the behavior of the algorithm when the first DOE is not equal to the target image, but a widened version of it. In the third section, a particular beam shaping, namely a collimated beam, is shown. Two techniques based on the Talbot effect produced by diffraction gratings are developed. In the first technique, a double grating system is proposed. Transversal displacement of the grating is not required and automatic single-frame processing can be performed. Talbot self-images are projected onto a mask composed by several shifted diffraction gratings. A Lissajous figure is obtained with the signals acquired by a CMOS camera where the mask is simulated by software. The collimation degree is determined by measuring the ellipticity of the Lissajous figure. In the second technique, a simple collimation method based on measuring the period of a single self-image produced by a diffraction grating is proposed. The selfimage is acquired with one or two CMOS cameras, and the period is computed using the variogram function. Both methods show high collimation accuracy that matches or improves current techniques. In the last section, the conclusions drawn from this thesis and the references used in its development are presented.

Item Type:Thesis
Additional Information:

Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Óptica, leída el 14-12-2015

Directors:
DirectorsDirector email
Sánchez Brea, Luis Miguel
Uncontrolled Keywords:Difracción
Palabras clave (otros idiomas):Difraction
Subjects:Sciences > Physics > Optics
ID Code:35645
Deposited On:12 Feb 2016 08:44
Last Modified:12 Feb 2016 08:44

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