Técnicas de síntesis y aplicaciones de elementos ópticos difractivos

Las tecnicas de conformado de haces modifican un campo luminoso incidente para obtener el campo deseado a la salida de un sistema optico. Existen numerosas tecnicas para lograr esta transformacion a traves del uso de elementos opticos difractivos (DOEs). Sin embargo, hay aplicaciones que requieren configuraciones de distancias pequenas donde estas tecnicas 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 realizacion son los siguientes: No hay algoritmos para conformado de haces en campo cercano que proporcionen buenos resultados. Los efectos difractivos no permiten una redireccion 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 opticos binarios son mas 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 diseno debe refinarse para obtener resultados aceptables. La colimacion de un haz luminoso es una aplicacion especifica del conformado de haces en campo cercano. Aunque existen tecnicas de colimacion efectivas, el uso de redes de difraccion para interferometria moire o medicion directa del periodo de las autoimagenes, permite la implementacion de tecnicas estaticas donde no es necesario el desplazamiento de ningun elemento difractivo para la determinacion del grado de colimacion. Esta tesis se divide en cuatro partes. En la primera, se desarrolla una introduccion general y un resumen. Este incluye una breve revision de los elementos opticos difractivos y la teoria escalar de la difraccion. La segunda parte aborda el conformado de haces en campo cercano. Los algoritmos iterativos basados en la transformada de Fourier se pueden usar para disenar DOEs capaces de obtener una determinada distribucion de intensidad en campo lejano. Para campo cercano, tambien 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 observacion es pequena, los resultados obtenidos no son buenos. Se ha desarrollado una tecnica para la obtencion de la distribucion de intensidad deseada en campo cercano usando dos DOEs en tandem. Se ha disenado un algoritmo basado en v el algoritmo Gerchberg–Saxton tradicional para determinar la modulacion 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 modulacion binaria. En una primera etapa, el primer DOE es igual a la distribucion de intensidad objetivo y el segundo DOE (fase) se obtiene mediante una sencilla y rapida tecnica iterativa. Ademas, se analiza el comportamiento del algoritmo cuando el primer DOE no es igual al objetivo pero si es una version dilatada del mismo. En la tercera parte, se presenta un conformado de haces particular como es un haz colimado. Se desarrollan dos tecnicas basadas en el efecto Talbot producido por redes de difraccion. En la primera, se propone un sistema de doble red para realizar la colimacion. Esta tecnica no requiere un desplazamiento transversal de la segunda red y realiza un procesamiento automatico de las franjas obtenidas. Las autoimagenes de Talbot se proyectan sobre una mascara compuesta por diferentes redes de difraccion desplazadas lateralmente. Dicha mascara se simula mediante software en una camara CMOS. A partir de las senales producidas, se obtiene una figura de Lissajous de la quel se determina la elipticidad y, con ella, el grado de colimacion. En la segunda tecnica, se propone un simple metodo de colimacion basado en la medida del periodo de una autoimagen producida por una red de difraccion. La autoimagen se adquiere con una o dos camaras CMOS. El periodo se calcula usando la funcion variograma. Ambos metodos muestran una alta precision en la colimacion que iguala o mejora las tecnicas actuales. Finalmente, en la parte cuatro se recopilan las conclusiones extraidas de esta tesis asi como las referencias utilizadas en su desarrollo.