Пространственный фильтр

Для метода обработки сигнала см. Формирование луча .

— Пространственный фильтр оптическое устройство, которое использует принципы оптики Фурье для изменения структуры луча света или другого электромагнитного излучения , обычно когерентного лазерного света . Пространственная фильтрация обычно используется для «очистки» выходного сигнала лазеров, устранения аберраций луча из-за несовершенства, загрязнения или повреждения оптики или из-за изменений в усиливающей среде самой лазера. Эту фильтрацию можно применять для передачи чистой поперечной моды многомодового лазера, блокируя при этом другие моды, излучаемые оптическим резонатором . Термин «фильтрация» означает что желательные структурные особенности исходного источника проходят через фильтр, а нежелательные особенности блокируются. Устройство, которое следует за фильтром, эффективно видит более качественное, но менее мощное изображение источника, а не непосредственно сам источник. Пример использования пространственного фильтра можно увидеть в расширенной настройке микрорамановской спектроскопии.

Компьютерный пример диска Эйри , дифракционная картина от точечного источника.

При пространственной фильтрации линза используется для фокусировки луча . Из-за дифракции луч, который не является идеальной плоской волной, не будет фокусироваться в одном пятне, а скорее будет создавать узор из светлых и темных областей в фокальной плоскости . Например, несовершенный луч может образовать яркое пятно, окруженное серией концентрических колец, как показано на рисунке справа. Можно показать, что эта двумерная картина представляет собой двумерное преобразование Фурье исходного луча поперечного распределения интенсивности . В этом контексте фокальную плоскость часто называют плоскостью преобразования . Свет в самом центре шаблона преобразования соответствует идеальной широкой плоской волне. Другой свет соответствует «структуре» в луче, а свет, находящийся дальше от центрального пятна, соответствует структуре с более высокой пространственной частотой . Узор с очень мелкими деталями будет излучать свет очень далеко от центрального пятна плоскости преобразования. В приведенном выше примере большое центральное пятно и окружающие его световые кольца обусловлены структурой, возникающей при прохождении луча через круглую диафрагма . Пятно увеличивается, поскольку луч ограничен апертурой до конечного размера, а кольца относятся к острым краям луча, создаваемым краями апертуры. Этот паттерн называется паттерном Эйри , в честь его первооткрывателя Джорджа Эйри .

Изменяя распределение света в плоскости преобразования и используя другую линзу для преобразования коллимированного луча, можно изменить структуру луча. Самый распространенный способ сделать это — разместить в луче апертуру, которая пропускает желаемый свет, блокируя при этом свет, соответствующий нежелательной структуре луча. В частности, небольшая круглая апертура или « отверстие », пропускающее только центральное яркое пятно, может удалить почти всю тонкую структуру луча, создавая гладкий поперечный профиль интенсивности, который может быть почти идеальным гауссовым лучом . С хорошей оптикой и очень маленьким отверстием можно было бы даже приблизиться к плоской волне.

На практике диаметр апертуры выбирается в зависимости от фокусного расстояния линзы, диаметра и качества входного луча, а также его длины волны (для более длинных волн требуются апертуры большего размера). Если отверстие слишком маленькое, качество луча значительно улучшается, но мощность значительно снижается. Если отверстие слишком велико, качество луча не может быть улучшено настолько, насколько хотелось бы.

Размер апертуры, которую можно использовать, также зависит от размера и качества оптики. Чтобы использовать очень маленькое отверстие, необходимо использовать фокусирующую линзу с низким числом f , и в идеале линза не должна добавлять существенных аберраций к лучу. Конструкция такого объектива становится все сложнее по мере уменьшения числа f.

На практике наиболее часто используемая конфигурация — это использование объектива микроскопа для фокусировки луча и апертуры, сделанной путем пробивания небольшого точного отверстия в куске толстой металлической фольги. Такие сборки имеются в продаже.

Сферические волны

За счет отсутствия второй линзы, преобразующей коллимированный луч, апертура фильтра максимально приближается к интенсивному точечному источнику, который излучает свет, приближающийся к сферическому волновому фронту. Меньшая апертура обеспечивает более близкое приближение к точечному источнику, что, в свою очередь, создает более близкий к сферическому волновой фронт.

См. также

• Освещение Келера , которое применяет пространственную фильтрацию к некогерентному свету для микроскопии.
• Камера-обскура