Design and characterization of spatial light modulator optical systems and geometrical phase elements for the generation of structured light

Abstract

Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de sistemas ópticos para la generación y el control de luz estructurada. Estos haces de luz con control espacial de su amplitud, fase y polarización están recibiendo mucha atención por parte de la comunidad científica por su potencial en aplicaciones como microscopía, proce-sado de materiales, comunicaciones ópticas y polarimetría, entre otras. Existen dos tipos de técnicas principales para generar estos haces. Una está basada en elementos de fase geométrica (GP), los cuales son componentes ópticos difractivos que consisten en retardadores microestructurados, en los cuales se puede imple-mentar cualquier función de fase en la distribución espacial de sus ejes ópticos. La otra técnica se basa en emplear moduladores espaciales de Luz (SLMs), que con-sisten en pantallas pixeladas que permiten codificar de forma dinámica functiones de fase arbitrarias. La tesis se ha presentado como un compendio de artículos formado por cinco publicaciones en los cuales diseñamos y caracterizamos dispositivos ópticos, basa-dos en elementos GP y en SLMs, para generar haces de luz con polarización estructurada (haces vectoriales) y vórtices ópticos. El trabajo está enfocado en la generación experimental de estos haces vectoriales y vórtices ópticos con estas tecnologías. Por lo tanto, incluye una parte importante dedicada a la caracter-ización y evaluación de los componentes ópticos y dispositivos empleados para dicho propósito. No obstante, la generación de este tipo de luz estructurada re-quiere una comprensión profunda de las propiedades de la superposición de haces de luz en diferentes estados de polarización. Así pues, la tesis también incluye una síntesis exhaustiva del formalismo requerido para describir dicho control de la polarización, y además, del diseño de elementos ópticos difractivos empleados para producir la superposición adecuada. El primer trabajo consiste en una caracterización espectral del retardo y de los colores de birrefringencia de una lámina-q comercial retardadora sintonizable de cristal líquido que opera en el rango visible e infrarrojo cercano. Este dispos-itivo permite generar haces vectoriales en montajes experimentales compactos y sencillos y, que nosotros sepamos, es la única lámina-q sintonizable en el mercado. El hecho de poder sintonizar el retardo hace que la lámina sea adecuada para manipular haces vectoriales en un rango espectral entre los 400 y los 1600 nm. Además, demostramos que situar la lámina entre polarizadores lineales cruzados e iluminarla con luz blanca de amplio espectro es un método sencillo y rápido de determinar los valores de voltaje en los cuales se comporta como un retardador de primer orden. El método también permite una estimación aproximada de la longitud de onda en la cual la lámina muestra retardo π. Este dispositivo sintoniz-able fue empleado para generar haces vectoriales puros e híbridos con patrones de intensidad y polarización exóticos. En segundo lugar, presentamos el diseño de una red de difracción de fase ge-ométrica fabricada en cristal líquido que genera una matriz de de vórtices ópticos con diferente carga topológica. El aspecto clave del trabajo es que el diseño está basado en el perfil del triplicador óptimo de fase, el cual asegura la máxima eficien-cia de difracción teórica alcanzable con una función pura de fase. Además, puesto que la red está fabricada como un elemento de fase geométrica, es plana y delgada, por lo que puede ser fácilmente incorporada en un sistema óptico donde se requiera compactibilidad. Los resultados experimentales obtenidos han demostrado que la red diseñada puede usarse también como detector de la carga topológica de un vórtice óptico. El tercer trabajo presenta una técnica para generar haces vectoriales de forma eficiente con SLMs de cristal líquido sobre silicio (LCOS). Los sistemas ópticos basados en SLMs son la forma más versátil de generar luz estructurada, ya que son dispositivos programables. Pero, debido a su estructura pixelada, presentan pérdidas por difracción, lo cual hace que su eficiencia óptica sea más baja que la de los sistemas basados en elementos de fase geométrica. Además, los SLMs hacen que el sistema experimental ocupe más espacio, requiriendo típicamente separadores de haz, y pueden presentar fluctuaciones de fase ocasionadas por el flicker. Todo esto reduce significativamente la eficiencia del sistema generador de haces vectoriales. En este trabajo, desarrollamos un sistema eficiente que usa dos SLMS LCOS en una geometría de camino común. Los SLMs empleados no presentaban flicker, por lo tanto, pudieron ser empleados para aplicar una técnica de codificación de amplitud compleja que generó el haz vectorial deseado en eje. El sistema en su conjunto es una forma muy eficiente y versátil de producir modos vectoriales. El cuarto trabajo de esta tesis es una técnica nueva para medir la deformación del panel de silicio de un SLM. Esta deformación es otro defecto importante que presentan los SLMs y que hay que tener en cuenta para lograr buenos resultados. La técnica se basa en un efecto interferométrico que ocurre dentro del SLM cuando es iluminado con luz de longitud de onda que está lejos de su rango espectral de operación. Bajo esta circunstancia, la capa antireflejante del dispositivo no funciona correctamente y podemos explotar este efecto, en principio indeseado, para medir y corregir la deformación del panel de silicio. Dado que este efecto lo produce el propio SLM, no se necesitan sistemas interferométricos externos, por lo que la técnica resulta robusta y estable. Por último, usamos un SLM para generar haces con una variación espacial escogida a voluntad de su grado de polarización en su sección transversal. La variación espacial de la despolarización fue generada haciendo la imagen de un patrón de fase mostrado en el SLM. De este modo, generamos haces exóticos con una distribución espacial en espiral de su grado de polarización, análoga a la variación espiral de la fase en un vórtice óptico. La técnica podría ser interesante para el calibrado de polarímetros de imagen o para emular luz estructurada con una variación espacial del grado de polarización como un parámetro adicional. Estas publicaciones representan avances en el campo de las técnicas usadas para generar haces vectoriales y vórtices ópticos, aportando varias contribuciones al control eficiente de la luz polarizada con elementos ópticos difractivos.