Retardadores ópticos en un rango espectral extendido: caracterización y filtros birrefringentes

Abstract

Esta Tesis Doctoral se presenta en la modalidad de compendio de artículos, correspondientes los diferentes trabajos realizados. Éstos se centran en el control de la polarización de la luz mediante retardadores ópticos y su aplicación a la realización de filtros ópticos espectrales basados en la dispersión de la birrefringencia. El primer trabajo consiste en el desarrollo de un sistema experimental de caracterización espectral de la función de retardo, útil para caracterizar retardadores en un amplio rango que cubra longitudes de onda desde 400 nm hasta 1600 nm. Con este sistema hemos aplicado un método clásico consistente en situar el retardador entre polarizadores cruzados o paralelos, y medir el espectro de la luz transmitida cuando se ilumina con una fuente de luz de amplio espectro continuo. La novedad del trabajo reside en la extensión del rango espectral hacia la zona del espectro del infrarrojo cercano (NIR), una región de gran interés en áreas como las comunicaciones ópticas o las aplicaciones biomédicas. El sistema desarrollado ha requerido la utilización de componentes ópticos útiles tanto en el rango visible como en el rango NIR. La calibración en un rango espectral tan extenso sirve, además, para fácilmente identificar distintos tipos de retardadores ópticos (de order cero, de orden múltiple…). La precisa determinación de la función de retardo espectral permite además la realización filtros espectrales birrefringentes. Así, en un primer trabajo se ha mostrado la realización de filtro espectral birrefringente con el diseño clásico de Lyot- Ohman. Su realización con dos moduladores de cristal líquido nos ha permitido realizar el filtro sintonizable. En el segundo trabajo se desarrolla otro diseño clásico de filtro espectral birrefringente, conocido como el filtro de Solc alternado. Este filtro óptico se ha realizado de nuevo con moduladores de cristal líquido, lo que permite controlar y sintonizar las propiedades de modulación. Como novedad, este trabajo presenta un diseño de filtro de Solc en reflexión, lo que permite usar dos veces la misma cadena de retardadores y mejorar de esta forma la resolución espectral del filtro. Como elemento clave para poder realizar ivesta configuración en reflexión se requiere emplear un retardador que actúe como retardador de cuarto de onda para todas las longitudes de onda del rango espectral de operación. Este retardador de cuarto de onda debe situarse entre la cadena que constituye el filtro de Solc y el espejo. Para poder operar en un rango espectral tan amplio se ha obtenido utilizando un rombo de Fresnel de cuarto de onda. Finalmente, se ha desarrollado un tercer trabajo en el que se ha realizado un sistema óptico que actúa como un retardador de retardo variable, pero que mantiene la misma variación para todas las longitudes de onda del rango de operación. Este sistema resulta interesante pues la oferta comercial de retardadores acromáticos solamente incluye retardadores de media onda y de cuarto de onda, normalmente limitados típicamente al rango visible del espectro, esto es, no suelen inclur el rango NIR. En el trabajo realizado se ha demostrado la posibilidad de variar a voluntad el valor de retardo en un amplio rango espectral visible y NIR, usando una combinación apropiada de rombos de Fresnel. El sistema consiste en dos rombos de Fresnel de media de onda situados entre otros dos rombos de Fresnel de cuarto de onda. Mediante la rotación relativa de los dos rombos de Fresnel de media onda centrales se puede controlar el retardo del sistema equivalente, manteniendo un valor constante para todas las longitudes de onda. En conjunto, las tres publicaciones que constituyen esta Tesis Doctoral suponen un avance en las tácnicas de caracterización de retardadores ópticos y en el control espectral del estado de polarización de la luz.

This reoprt is presented in the form of compendium of articles, corresponding to the three different works carried out during the Doctoral Thesis. The work is centered on the control of the polarization of light by means of optical retarders and its use as spectral filters based on the birefringence dispersion. A first part of the work is devoted to the develeopment of an optical system for the characterization of the spectral retardance function in a wide spectral range, operating between 400 nm and 1600 nm. Using this system we have applied a classical technique based on inserting the retarder between crossed or parallel polarizers and measuring the transmitted spectrum when teh system is illuminated with a continuous broadband light source. The novelty of the work consits in the extension of the method to include the near infrared (NIR) region of the spectrum, a range which is very interesting in areas like optical communications or biomedical applications. The extension to this spectral region required the use of optical components useful for both the visible and the NIR ranges. The calibration of the retarders over such a wide spectral range allows to easily identify different types of optical retarders (zero order, multiple order, achromatic…). In addition, the precise measurement of the spectral retardance function allows the realization of birefringent filters. As an example, this first work includes a tunable birefringent Lyot- Ohman filter, a classical design that here has been made with two liquid crystal modulators, thus becoming a tunable filter. In a second work it is shown the experimental realization of another classical birefringent spectral filter design, the Solc filter. Again, the optical filter has been made with two liquid crystal modulators, in order to be tunable. As a novelty, this work presents a Solc filter design in reflection, which allows the same chain of retarders to be used twice, and therefore improves the spectral resolution of the filter. The key component to achieve this reflective design is the use of a quarter-wave retarder between filter chain and the vimirror. This retarder must be of a quarter-wave retardece for all the wavelengths in the operative range. This has been obtained using a Fresnel romhb, which maintains an almost perfect constant retardance over the visible and NIR ranges. Finally, a third work shows the realization of an optical system equivalent to a retarder with variable retardance, but maintaing a constant variation for all wavelengths. This system is interesting because current commercially available retarders are offered achromatic only for a half-wave retardance or for a quarter-wave retardance, but not for an arbitrary value, and typically limited to the visible range, i. e., not including the NIR range. Using a combination of two half-wave Fresnel romhbs located between other two quarterwave Fresnel romhbs, an equivalent retarder system is demosntrated, The retardance of the equivalent system is variable, controlled with the relative orientation of the two central halfwave retarders. In summary, the three publications that constitute this Doctoral Theis represent an advance in the research related to optical retarders, the systems for their characterization and their application in the design and realization of birefringent optical spectral filters.