Filtr przestrzenny - Spatial filter
Filtr przestrzenny znajduje się przyrząd optyczny, który wykorzystuje zasadę optyki Fouriera w celu zmiany struktury wiązki światła lub innego promieniowania elektromagnetycznego , zwykle spójnym laserowego światła . Filtrowanie przestrzenne jest powszechnie stosowane w celu „oczyszczenia” wyjścia laserów, usunięcia aberracji w wiązce spowodowanych niedoskonałą, brudną lub uszkodzoną optyką lub z powodu zmian samego środka wzmocnienia lasera . To filtrowanie można zastosować do przesyłania czystego trybu poprzecznego z lasera wielomodowego, blokując jednocześnie inne mody emitowane przez rezonator optyczny . Termin „filtrowanie” wskazuje, że pożądane cechy strukturalne oryginalnego źródła przechodzą przez filtr, podczas gdy niepożądane cechy są blokowane. Urządzenie, które podąża za filtrem, skutecznie widzi obraz źródła o wyższej jakości, ale o niższej mocy, zamiast bezpośrednio z rzeczywistego źródła. Przykład zastosowania filtra przestrzennego można zobaczyć w zaawansowanej konfiguracji spektroskopii mikro-Ramana.
W filtrowaniu przestrzennym do ogniskowania wiązki używana jest soczewka . Z powodu dyfrakcji wiązka, która nie jest idealną falą płaską , nie będzie skupiać się w jednym punkcie, ale raczej utworzy wzór jasnych i ciemnych obszarów w płaszczyźnie ogniskowej . Na przykład niedoskonała wiązka może tworzyć jasny punkt otoczony serią koncentrycznych pierścieni, jak pokazano na rysunku po prawej stronie. Można wykazać, że ten dwuwymiarowy wzór jest dwuwymiarową transformatą Fouriera rozkładu natężenia poprzecznego wiązki początkowej . W tym kontekście płaszczyzna ogniskowa jest często nazywana płaszczyzną transformacji . Światło w samym środku wzoru transformacji odpowiada idealnej, szerokiej fali. Inne światło odpowiada „strukturze” wiązki, przy czym światło dalej od centralnego punktu odpowiada strukturze o wyższej częstotliwości przestrzennej . Wzór z bardzo drobnymi szczegółami będzie wytwarzał światło bardzo daleko od centralnego punktu płaszczyzny transformacji. W powyższym przykładzie duża centralna plamka i otaczające ją pierścienie światła są spowodowane strukturą wynikającą z przejścia wiązki przez okrągłą szczelinę . Plamka jest powiększona, ponieważ wiązka jest ograniczona przez aperturę do skończonej wielkości, a pierścienie odnoszą się do ostrych krawędzi wiązki utworzonych przez krawędzie apertury. Ten wzór nazywa się wzorem Airy , od nazwiska jego odkrywcy, George'a Airy'ego .
Zmieniając rozkład światła w płaszczyźnie transformacji i używając innej soczewki do zreformowania skolimowanej wiązki, można zmienić strukturę wiązki. Najczęstszym sposobem jest umieszczenie w wiązce szczeliny, która przepuszcza pożądane światło, blokując jednocześnie światło odpowiadające niepożądanej strukturze w wiązce. W szczególności mała okrągła apertura lub „ dziurka ”, która przechodzi tylko przez centralny jasny punkt, może usunąć prawie całą drobną strukturę z wiązki, tworząc gładki poprzeczny profil intensywności, który może być prawie idealną wiązką gaussowską . Przy dobrej optyce i bardzo małym otworku można było nawet przybliżyć falę płaską.
W praktyce średnicę apertury dobiera się na podstawie ogniskowej soczewki, średnicy i jakości wiązki wejściowej oraz jej długości fali (dłuższe fale wymagają większych apertur). Jeśli otwór jest zbyt mały, jakość wiązki jest znacznie lepsza, ale moc jest znacznie zmniejszona. Jeśli otwór jest zbyt duży, jakość wiązki może nie ulec poprawie w takim stopniu, w jakim jest to pożądane.
Wielkość apertury, której można użyć, zależy również od wielkości i jakości optyki. Aby użyć bardzo małej dziurki, należy użyć soczewki skupiającej o niskiej liczbie f , a najlepiej soczewka nie powinna dodawać znaczących aberracji do wiązki. Konstrukcja takiego obiektywu staje się coraz trudniejsza wraz ze spadkiem liczby f.
W praktyce najczęściej stosowaną konfiguracją jest użycie soczewki obiektywu mikroskopu do ogniskowania wiązki i przysłony wykonanej przez wybicie małego, precyzyjnego otworu w kawałku grubej metalowej folii. Takie zespoły są dostępne w handlu.
Sferyczne fale
Pomijając drugą soczewkę, która przekształca skolimowaną wiązkę, apertura filtra bardzo zbliża się do intensywnego źródła punktowego, które wytwarza światło zbliżone do kulistego czoła fali. Mniejsza apertura zapewnia bliższe przybliżenie źródła punktowego, co z kolei wytwarza bardziej prawie kuliste czoło fali.
Zobacz też
- Oświetlenie Köhlera , które polega na filtrowaniu przestrzennym niespójnego światła do mikroskopii
- Kamera otworkowa
