filtro Lyot

Un filtro Lyot ( monocromador de polarización - interferencia , filtro birrefringente ), ^[1]^{: 106} llamado así por su inventor y astrónomo francés Bernard Lyot , es un tipo de filtro óptico que utiliza la birrefringencia para producir una banda de paso estrecha de longitudes de onda transmitidas . ^[2]^[3]^{: 177} filtros Lyot se utilizan en astronomía , particularmente para astronomía solar , láseres , fotónica biomédica e imágenes de química Raman . ^[4]^{: 2.5.2}^[5]^{: 163}^[6]^{: 5.8.3}^[7]^{: 202}^[8]^{: 327}^[9]^{: 14}

Principios básicos

El camino de la luz (línea discontinua roja) a través de un filtro Lyot de placa única. El primer polarizador transmite luz polarizada horizontalmente a la placa de ondas. Las direcciones de transmisión rápida (F) y lenta (S) de la placa de ondas forman un ángulo de 45 grados con respecto a la horizontal. Para la longitud de onda de este ejemplo, la placa de ondas transforma la polarización horizontal de la luz en una polarización circular. El segundo polarizador transmite sólo una parte de la luz, la componente horizontal de la luz polarizada circularmente, lo que da lugar a una cantidad de transmisión de luz que depende de la longitud de onda.

Esta sección describe cómo la transmisión de luz dependiente de la longitud de onda del filtro Lyot surge de la birrefrigencia.

Filtro óptico de placa única

El filtro Lyot se basa en la propiedad de polarización de la luz, un vector ( vector de Jones ) perpendicular a la trayectoria de la luz que tiene una dirección fija ( polarización lineal ) o una dirección de rotación variable en el tiempo ( polarización circular o elíptica ). Para un filtro Lyot de placa única típico, la luz pasa a través de tres elementos ópticos consecutivos que modifican la polarización de la luz: el primer polarizador horizontal , una placa de ondas (retardador) y un segundo polarizador horizontal. ^[10]^[11]^{: 95–96} La luz linealmente polarizada viaja más rápido cuando se alinea con la dirección F rápida de la placa de ondas , y más lento cuando se alinea con la dirección S lenta ortogonal de la placa de ondas . ^[12]^{: 125}^{: 127} La diferencia de velocidad depende de la diferencia entre el índice de refracción ordinario y el índice de refracción extraordinario de la placa de ondas . ^[11]^{: 95–96} Este ejemplo supone que la horizontal forma un ángulo de 45 grados con las direcciones F y S de la placa de ondas. ^[11]^{: 95–96}

El primer polarizador horizontal transforma la polarización de la luz entrante en luz polarizada horizontalmente al pasar solo el componente de polarización horizontal de la luz entrante . La placa de ondas puede modificar la luz entrante polarizada horizontalmente a una polarización diferente según la longitud de onda de la luz. El segundo polarizador horizontal pasa sólo el componente de polarización horizontal de la luz que sale de la placa de ondas. Por ejemplo, en una longitud de onda, si la luz que sale de la placa de ondas está polarizada horizontalmente, entonces la luz pasa completamente a través del segundo polarizador horizontal y sale del filtro óptico sin atenuación . A una longitud de onda diferente, si la luz que sale de la placa de ondas está polarizada verticalmente, entonces ninguna luz pasa a través del segundo polarizador horizontal y ninguna luz sale del filtro óptico. En la mayoría de las longitudes de onda, se producirá cierta atenuación dependiente de la longitud de onda.

Este filtro óptico de placa única transmite la intensidad de la luz desde una entrada de intensidad de luz polarizada horizontalmente con longitud de onda , espesor de placa de onda , índice de refracción ordinario de placa de onda e índice de refracción extraordinario de placa de onda : ^[11]^{: 95–96}^[10] ${\ Displaystyle I_ {T}}$ ${\ Displaystyle I_ {X}}$ ${\displaystyle\lambda}$ $d$ ${\ Displaystyle n_ {o}}$ ${\ Displaystyle n_ {e}}$

I_{T}=I_{X}\cdot \operatorname {cos} ^{2}\left({\frac {\pi (n_{o}-n_{e}))d}{\lambda }} \bien)

Filtro óptico multiplaca

Los filtros multiplaca son una serie de filtros de placa única consecutivos, en los que cada placa ondulada tiene la mitad del grosor de la placa anterior. ^[10] Usando este diseño, un gráfico que describe la intensidad de la luz transmitida en cada longitud de onda mostrará picos principales más nítidos (ancho de banda más estrecho) de luz transmitida y un mayor intervalo de longitud de onda entre los picos principales de luz transmitida ( rango espectral libre ). ^[11]^{: 95–96}^[1]^{: 108} Como ejemplo, extendiendo la ecuación de placa única a un filtro óptico de 3 placas con un espesor máximo de placa de onda , este filtro óptico multiplaca transmite intensidad de luz desde una entrada de intensidad de luz polarizada horizontalmente : ^[10] $d$ ${\ Displaystyle I_ {T}}$ ${\estilo de texto I_ {X}}$

I_{T}=I_{X}\cdot \operatorname {cos} ^{2}\left({\frac {2\pi (n_{o}-n_{e}))d}{2\lambda }}\right)\cdot \operatorname {cos} ^{2}\left({\frac {2\pi (n_{o}-n_{e})d}{2^{2}\lambda }}\ derecha)\cdot \operatorname {cos} ^{2}\left({\frac {2\pi (n_{o}-n_{e})d}{2^{3}\lambda }}\right)

Caracteristicas de diseño

Las placas onduladas suelen ser de cuarzo o calcita . ^[1]^{: 109} Al girar la placa de ondas se puede cambiar la longitud de onda de los picos de transmisión. ^[4]^{: 2.5.2} Dividir los cristales por la mitad y agregar una placa de onda de 1 ⁄ 2 en el medio aumenta el campo de visión del filtro. ^[10] La separación y estrechez de los picos de transmisión depende del número, espesores y orientación de las placas. ^[12]^{: 125} Debido a las propiedades birrefringentes del cuarzo y la calcita que dependen de la temperatura, el filtro Lyot requiere un termostato para minimizar las fluctuaciones de temperatura. ^[1]^{: 109}

Filtros sintonizables

Un filtro Lyot sintonizable eléctricamente contiene elementos birrefringentes electroópticos o de cristal líquido sintonizables. ^[13]^{: 30} El filtro Lyot electroóptico sintonizable utiliza optocerámica de niobato de plomo y titanato de plomo y magnesio (PMN-PT) para sintonizar el filtro. ^[6]^{: 5.8.3} Los filtros sintonizables de cristal líquido permiten la sintonización analógica de la longitud de onda transmitida ajustando cuidadosamente el voltaje sobre las celdas de cristal líquido. El paso de banda espectral del filtro Lyot de cristal líquido puede oscilar entre 30 nm y 0,05 nm. ^[3]^{: 177} Las dos categorías de filtros de cristal líquido Lyot son filtros de retardo de interferencia polarizante y cristales fotónicos electroópticos. ^[5]^{: 167} A menudo, estos filtros se basan en el diseño original de Lyot, pero existen muchos otros diseños para lograr otras propiedades, como transmisión de banda ancha o estrecha, o selectividad de polarización. ^[14]

Rendimiento comparativo

El filtro Lyot y el filtro Fabry-Perót son los filtros electroópticos sintonizables más comunes. ^[6]^{: 5.8.3} En comparación con el filtro Fabry-Perót, el filtro Lyot sintonizable tiene un rango ajustable más amplio y estable, pero el filtro Lyot transmite menos luz. ^[6]^{: 5.8.3} Se produce una transmitancia deficiente debido al gran número de polarizadores altamente absorbentes y a la acción imperfecta de la placa de ondas. ^[3]^{: 177} filtros Lyot pueden contener hasta 12 filtros individuales, lo que encarece el filtro Lyot y limita su uso en instrumentos compactos. ^[5]^{: 166} A diferencia de los filtros Lyot, el filtro Solc se basa sólo en dos polarizadores, lo que produce una menor reducción de luz. ^[10]

Aplicaciones

En astronomía solar, observar la cromosfera del sol , la segunda capa atmosférica del sol, requiere filtros ópticos de banda estrecha ( espectroheliógrafo ), como un filtro Lyot, que utiliza longitudes de onda para observar erupciones , prominencias , filamentos y placas solares que surgen del calcio y el hidrógeno . ^[8]^{: 327}^[9]^{: 14}

Los filtros Lyot de placa única y múltiple se utilizan a menudo dentro de la cavidad óptica de los láseres para permitir la sintonización del láser. ^[7]^{: 202} En este caso, las pérdidas de Brewster de la placa y otros elementos intracavidad suelen ser suficientes para producir el efecto polarizador y no se requieren polarizadores adicionales. Los filtros Lyot también se utilizan en láseres de Ti - zafiro de banda ancha y en osciladores de láser de colorante para la selección de longitudes de onda. ^[11]^{: 96}

Aunque sus mecanismos son diferentes, los láseres de bloqueo de modelo y los láseres de filtro Lyot producen un peine de múltiples longitudes de onda que puede colocarse en la cuadrícula de canales de la UIT para multiplexación por división de onda densa (DWDM) o usarse para darle a cada hogar suburbano su propio láser de señal de retorno. longitud de onda en una red óptica pasiva (PON) utilizada para proporcionar FTTH (Fiber To The Home). ^[6]^{: 5.8.3}

Otra aplicación ha sido el uso de filtros Lyot para obtener imágenes químicas Raman. ^[15]^{: 205} Otras aplicaciones han sido en microespectrómetros y dispositivos de imágenes hiperespectrales y en fotónica biomédica. ^[5]^{: 163}

Ver también

Citas

^ abcdStix 2012.
^ Lyot 1933.
^ a b C Li-Chan, Chalmers y Griffiths 2010.
^ ab Ambastha 2020.
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^ ab Bhatnagar y Livingston 2005.
^ por Harrison 2016.
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^ abcdef Meschede 2004.
^ ab Ammann 1971.
^ Bhargava y Levin 2008.
^ Beeckman y col. 2009.
^ Lewis y Edwards 2001.

Referencias

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