Publication: First-order optical systems in information processing and optronic devices
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2008-11-24
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Universidad Complutense de Madrid, Servicio de Publicaciones
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Abstract
This work involves a theoretical, numerical as well as an experimental study. On the basis of a matrix formalism, we developed a flexible optical system design corresponding to ortho-symplectic transformations; rotator, separable fractional Fourier transform (FRFT), and gyrator operation (GT). These fractional transformations pay a relevant role in optical information processing. Such types of setups are demanded in different applications such as beam characterization, mode conversion, phase-space tomography, etc. This optical system design comprises generalized lenses (assembled set of thin cylindrical lenses) and fixed free-space intervals, where one or two-parametric transformation is reached only by means of lens rotations, or by means of lens power variation. In contrast to previous optical systems, this optical system generates (as a function of the transformation parameter) an output signal without additional scaling, rotation and phase modulation factors. We also demonstrate for first time the main properties and applications of the GT operation, which is little-known by the optical community. In particular, we study the application of the GT operation as an image processing tool (noise reduction, encryption, etc.) as well as an optical mode converter. The experimental implementation of the GT operation is demonstrated for the transformation of Hermite-Gaussian modes into Laguerre-Gaussian ones. Moreover, we also propose and analyze several optronic systems for complex field generation at quasi-real time as well as a Fourier micro-spectrometer based on SOI waveguide array. The numerical and experimental results are in excellent agreement with the theoretical predictions attesting the feasibility of these optical systems.
Este trabajo se ha realizado a nivel teórico, numérico y experimental. Basándonos en el formalismo matricial que describe y caracteriza a los sistemas ópticos de primer orden (paraxiales), hemos logrado desarrollar un diseño óptico flexible capaz de realizar transformaciones orto-simplécticas: rotación de imágenes, transformada fraccionaria separable de Fourier (FRFT) y gyrator (GT). Estas operaciones, concretamente FRFT y GT, tienen gran importancia en procesado óptico de la información y en diferentes aplicaciones tales como: caracterización de haces, generación de modos estables, tomografía espacial de fase, etc. El sistema propuesto es flexible puesto que la operación se realiza a través de la rotación de las lentes cilíndricas delgadas que lo componen, o variando su potencia, sin necesidad de cambiar la distancia existente entre éstas. Demostramos que estas configuraciones ópticas son las que requieren el menor número de lentes, y al contrario que otros sistemas (no flexibles) no introducen (al cambiar el parámetro de transformación) factores extras de escala, de fase ni rotación en la señal transformada. Otra aportación original de este trabajo concierne al estudio de la operación GT, poco conocida por la comunidad óptica. En particular, hemos demostrado por primera vez sus principales propiedades así como aplicaciones en procesado digital de imágenes (eliminación de ruido, encriptación, etc.) y como generador óptico de modos. La implementación experimental de GT es demostrada para la transformación de modos estables Hermite-Gaussian en Laguerre-Gaussian. También proponemos y analizamos varios sistemas optrónicos basados en sistemas de primer orden para la generación interactiva de señales complejas en tiempo casi real, así como un micro-espectrómetro de Fourier basado en guías de onda SOI. Los resultados numéricos y experimentales obtenidos están en gran acuerdo con las predicciones teóricas encontradas, demostrando además tanto la versatilidad como viabilidad de todos los sistemas ópticos propuestos en este trabajo
Este trabajo se ha realizado a nivel teórico, numérico y experimental. Basándonos en el formalismo matricial que describe y caracteriza a los sistemas ópticos de primer orden (paraxiales), hemos logrado desarrollar un diseño óptico flexible capaz de realizar transformaciones orto-simplécticas: rotación de imágenes, transformada fraccionaria separable de Fourier (FRFT) y gyrator (GT). Estas operaciones, concretamente FRFT y GT, tienen gran importancia en procesado óptico de la información y en diferentes aplicaciones tales como: caracterización de haces, generación de modos estables, tomografía espacial de fase, etc. El sistema propuesto es flexible puesto que la operación se realiza a través de la rotación de las lentes cilíndricas delgadas que lo componen, o variando su potencia, sin necesidad de cambiar la distancia existente entre éstas. Demostramos que estas configuraciones ópticas son las que requieren el menor número de lentes, y al contrario que otros sistemas (no flexibles) no introducen (al cambiar el parámetro de transformación) factores extras de escala, de fase ni rotación en la señal transformada. Otra aportación original de este trabajo concierne al estudio de la operación GT, poco conocida por la comunidad óptica. En particular, hemos demostrado por primera vez sus principales propiedades así como aplicaciones en procesado digital de imágenes (eliminación de ruido, encriptación, etc.) y como generador óptico de modos. La implementación experimental de GT es demostrada para la transformación de modos estables Hermite-Gaussian en Laguerre-Gaussian. También proponemos y analizamos varios sistemas optrónicos basados en sistemas de primer orden para la generación interactiva de señales complejas en tiempo casi real, así como un micro-espectrómetro de Fourier basado en guías de onda SOI. Los resultados numéricos y experimentales obtenidos están en gran acuerdo con las predicciones teóricas encontradas, demostrando además tanto la versatilidad como viabilidad de todos los sistemas ópticos propuestos en este trabajo
Description
Tesis de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, Departamento de Óptica, leída el 09-06-2008
UCM subjects
Óptica (Física)
Unesco subjects
2209.19 Óptica Física