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} Los filtros Lyot se utilizan en astronomía , particularmente para astronomía solar , láseres , fotónica biomédica e imágenes químicas Raman . ^[4]^{: 2.5.2}^[5]^{: 163}^[6]^{: 5.8.3}^[7]^{: 202}^[8]^{: 327}^[9]^{: 14}

Principios básicos

Trayectoria 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 onda. Las direcciones de transmisión rápida (F) y lenta (S) de la placa de onda forman un ángulo de 45 grados con respecto a la horizontal. Para la longitud de onda de este ejemplo, la placa de onda transforma la polarización horizontal de la luz en una polarización circular. El segundo polarizador transmite solo una parte de la luz, el componente horizontal de la luz polarizada circularmente, lo que genera 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 birrefringencia.

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 onda (retardador) y un segundo polarizador horizontal. ^[10]^[11]^{: 95–96} La luz polarizada linealmente viaja más rápido cuando se alinea con la dirección rápida F de la placa de onda , y más lento cuando se alinea con la dirección lenta ortogonal S de la placa de onda . ^[12]^{: 125}^{: 127} La diferencia de velocidad depende de la diferencia entre el índice de refracción ordinario de la placa de onda y el índice de refracción extraordinario . ^[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 onda. ^[11]^{: 95–96}

El primer polarizador horizontal transforma la polarización de la luz entrante en luz polarizada horizontalmente al dejar pasar únicamente el componente de polarización horizontal de la luz entrante . La placa de onda puede modificar la luz polarizada horizontalmente entrante a una polarización diferente en función de la longitud de onda de la luz. El segundo polarizador horizontal deja pasar únicamente el componente de polarización horizontal de la luz que sale de la placa de onda. Por ejemplo, en una longitud de onda, si la luz que sale de la placa de onda está polarizada horizontalmente, entonces la luz pasa completamente a través del segundo polarizador horizontal, saliendo del filtro óptico sin atenuación . En una longitud de onda diferente, si la luz que sale de la placa de onda está polarizada verticalmente, entonces no pasa luz a través del segundo polarizador horizontal y no sale luz del filtro óptico. En la mayoría de las longitudes de onda, se producirá alguna 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] $I_{T}$ $Estilo de visualización I_{X}}$ ${\estilo de visualización \lambda}$ ${\estilo de visualización d}$ $n_{o}$ $n_{e}$

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

Filtro óptico multiplaca

Los filtros multiplaca son una serie de filtros consecutivos de una sola placa, donde cada placa de onda tiene la mitad del espesor de la placa anterior. ^[10] Con 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] ${\estilo de visualización d}$ $I_{T}$ ${\textstyle I_{X}}$

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

Características de diseño

Las placas de onda son comúnmente de cuarzo o calcita . ^[1]^{: 109} Rotar la placa de onda 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, espesor y orientación de las placas. ^[12]^{: 125} Debido a las propiedades birrefringentes dependientes de la temperatura del cuarzo y la calcita, el filtro Lyot requiere un termostato para minimizar las fluctuaciones de temperatura. ^[1]^{: 109}

Filtros ajustables

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 magnesio-titanato de plomo (PMN-PT) para sintonizar el filtro. ^[6]^{: 5.8.3} Los filtros de cristal líquido sintonizables permiten la sintonización analógica de la longitud de onda transmitida ajustando cuidadosamente el voltaje sobre las celdas de cristal líquido. La banda de paso espectral del filtro Lyot de cristal líquido puede variar de 30 nm a 0,05 nm. ^[3]^{: 177} Las dos categorías de filtros de cristal líquido Lyot son los filtros de retardo de interferencia polarizante y los cristales fotónicos electroópticos. ^[5]^{: 167} A menudo, estos filtros se basan en el diseño Lyot original, pero existen muchos otros diseños para lograr otras propiedades, como transmisión de banda estrecha o ancha, 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} La mala transmitancia ocurre debido a la gran cantidad de polarizadores altamente absorbentes y la acción imperfecta de la placa de onda. ^[3]^{: 177} Los filtros Lyot pueden contener hasta 12 filtros individuales, lo que hace que el filtro Lyot sea costoso y limite su uso en instrumentos compactos. ^[5]^{: 166} A diferencia de los filtros Lyot, el filtro Solc se basa en solo dos polarizadores, lo que lleva a una menor reducción de la luz. ^[10]

Aplicaciones

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

Los filtros Lyot de una o varias placas 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 intracavitarios suelen ser suficientes para producir el efecto polarizador, y no se requieren polarizadores adicionales. Los filtros Lyot también se utilizan en láseres de zafiro de titanio de banda ancha y osciladores de láser de colorante para la selección de longitudes de onda. ^[11]^{: 96}

Aunque sus mecanismos son diferentes, los láseres de bloqueo de modelos y los láseres de filtro Lyot producen un peine de múltiples longitudes de onda que se pueden colocar en la cuadrícula de canales de la UIT para multiplexación por división de onda densa (DWDM) o se pueden usar para dar a cada hogar suburbano su propia longitud de onda láser de señal de retorno en una red óptica pasiva (PON) utilizada para proporcionar FTTH (fibra hasta el hogar). ^[6]^{: 5.8.3}

Otra aplicación de los filtros Lyot es la obtención de imágenes químicas Raman. ^[15]^{: 205} Otras aplicaciones han sido en dispositivos de obtención de imágenes hiperespectrales y microespectrómetros y en fotónica biomédica. ^[5]^{: 163}

Véase también

Citas

^abcd Stix2012.
^ Lyot 1933.
^ abc Li-Chan, Chalmers y Griffiths 2010.
^ desde Ambastha 2020.
^ abcd Crawford 2007.
^ abcde Bain y Chand 2017.
^Ab Binh y Ngo 2018.
^ ab Bhatnagar y Livingston 2005.
^Por Harrison 2016.
^ abcdef Lizana y col. 2019.
^abcdef Meschede 2004.
^ desde Ammann 1971.
^ Bhargava y Levin 2008.
^ Beeckman y otros 2009.
^ Lewis y Edwards 2001.

Referencias

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