Un filtro espacial es un dispositivo óptico que utiliza los principios de la óptica de Fourier para alterar la estructura de un haz de luz u otra radiación electromagnética , normalmente luz láser coherente . El filtrado espacial se utiliza comúnmente para "limpiar" la salida de los láseres, eliminando aberraciones en el haz debido a ópticas imperfectas, sucias o dañadas, o debido a variaciones en el propio medio de ganancia del láser. Este filtrado se puede aplicar para transmitir un modo transversal puro desde un láser multimodo mientras se bloquean otros modos emitidos desde el resonador óptico . [1] [2] El término "filtrado" indica que las características estructurales deseables de la fuente original pasan a través del filtro, mientras que las características indeseables se bloquean. Un aparato que sigue el filtro ve efectivamente una imagen de la fuente de mayor calidad pero de menor potencia, en lugar de ver directamente la fuente real. Se puede ver un ejemplo del uso de un filtro espacial en la configuración avanzada de espectroscopía micro-Raman.
En el filtrado espacial, se utiliza una lente para enfocar el haz. Debido a la difracción , un haz que no sea una onda plana perfecta no se enfocará en un solo punto, sino que producirá un patrón de regiones claras y oscuras en el plano focal . Por ejemplo, un haz imperfecto podría formar un punto brillante rodeado por una serie de anillos concéntricos, como se muestra en la figura de la derecha. Se puede demostrar que este patrón bidimensional es la transformada de Fourier bidimensional de la distribución de intensidad transversal del haz inicial . En este contexto, el plano focal suele denominarse plano de transformación . La luz en el centro del patrón de transformación corresponde a una onda plana amplia y perfecta. Otra luz corresponde a la "estructura" en el haz, y la luz más alejada del punto central corresponde a la estructura con mayor frecuencia espacial . Un patrón con detalles muy finos producirá luz muy lejos del punto central del plano de transformación. En el ejemplo anterior, el gran punto central y los anillos de luz que lo rodean se deben a la estructura resultante cuando el haz pasa a través de una abertura circular . El punto se agranda porque el haz está limitado por la apertura a un tamaño finito y los anillos se relacionan con los bordes afilados del haz creados por los bordes de la apertura. Este patrón se llama patrón de Airy , en honor a su descubridor George Airy .
Al alterar la distribución de la luz en el plano de transformación y utilizar otra lente para reformar el haz colimado, se puede alterar la estructura del haz. La forma más común de hacer esto es colocar una abertura en el haz que permita el paso de la luz deseada, mientras bloquea la luz que corresponde a la estructura no deseada en el haz. En particular, una pequeña abertura circular o " agujero " que pasa sólo por el punto brillante central puede eliminar casi toda la estructura fina del haz, produciendo un perfil de intensidad transversal suave, que puede ser casi un haz gaussiano perfecto . Con una buena óptica y un orificio muy pequeño, se podría incluso aproximar una onda plana.
En la práctica, el diámetro de la apertura se elige en función de la distancia focal de la lente, el diámetro y la calidad del haz de entrada y su longitud de onda (las longitudes de onda más largas requieren aperturas más grandes). Si el orificio es demasiado pequeño, la calidad del haz mejora considerablemente pero la potencia se reduce considerablemente. Si el orificio es demasiado grande, es posible que la calidad del haz no mejore tanto como se desea.
El tamaño de apertura que se puede utilizar también depende del tamaño y la calidad de la óptica. Para utilizar un orificio muy pequeño, se debe utilizar una lente de enfoque con un número f bajo e, idealmente, la lente no debería añadir aberraciones significativas al haz. El diseño de una lente de este tipo se vuelve cada vez más difícil a medida que disminuye el número f.
En la práctica, la configuración más comúnmente utilizada es utilizar una lente de objetivo de microscopio para enfocar el haz y una apertura realizada perforando un orificio pequeño y preciso en un trozo de lámina metálica gruesa. Tales conjuntos están disponibles comercialmente.
Al omitir la segunda lente que reforma el haz colimado, la apertura del filtro se aproxima mucho a una fuente puntual intensa, que produce una luz que se aproxima a un frente de onda esférico . Una apertura más pequeña implementa una mayor aproximación de una fuente puntual, que a su vez produce un frente de onda más casi esférico.