Desarrollo de sistemas difractivos avanzados para la generación de vórtices ópticos y haces de polarización estructurada

Abstract

Esta Tesis Doctoral presenta en la modalidad de compendio de artículos el desarrollo de diferentes sistemas ópticos para la realización de óptica difractiva avanzada con control del estado de polarización. El primer sistema emplea un modulador espacial de luz nemático con giro (TN-SLM), que es previamente calibrado siguiendo una propuesta basada en la determinación precisa de sus parámetros físicos. Con esta calibración se pueden identificar estados elípticos de polarización para operar el dispositivo en dos regímenes de modulación pura de fase, un régimen binario y un régimen continúo basado en un perfil de fase triplicador. Los resultados permitieron generar redes de difracción, lentes difractivas y vórtices ópticos. El segundo sistema óptico desarrollado está basado en dos moduladores de cristal líquido sobre silicio (LCoS-SLM) dispuestos un montaje óptico que denominamos “en Z”. Este sistema permite controlar de forma independiente dos componentes de la polarización lineales ortogonales, y es útil para generar elementos difractivos con variación espacial de la polarización. La primera aplicación de este sistema es el desarrollo de un polarímetro completo, puntual e instantáneo, basado en redes de difracción de polarización. Estas redes de polarización se generan mediante dos redes puras de fase que se implementan en cada modulador. Su combinación crea diferentes órdenes de difracción que actúan como analizadores de la polarización. La segunda aplicación del sistema en Z es la generación de haces vectoriales y elementos de luz estructurada. Empleando lentes de multifocalización implementadas en los moduladores espaciales de luz y un analizador es posible elegir distintos patrones de focalización. Además, combinando una focalización anular con fases espirales se obtuvieron haces vectoriales. Finalmente, se ha desarrollado un tercer sistema basado en una lente de fase geométrica y láminas-q. Estos son novedosos elementos ópticos de fase geométrica que se emplearon para realizar un divisor longitudinal de polarización circular. Este sistema nos ha permitido visualizar fácilmente vórtices ópticos y haces vectoriales y determinar sus características. En conjunto, estas cuatro publicaciones constituyen un avance en la investigación en los métodos para generar o detectar haces de luz con control estructurado del estado de polarización.

This Doctoral Thesis presents, in the form of a compendium of articles, the development of different optical systems for the realization of advanced diffractive optics with polarization control. The first system uses a twisted nematic spatial light modulator (TN-SLM), which is previously calibrated following a proposal based on the precise determination of its physical parameters. This calibration allows identifying elliptical polarization states that provide two pure phase modulation regimes, a binary regime and a continuous regime based on a triplicator phase profile. The results allowed to generate diffraction gratings, diffractive lenses and optical vortices. The second optical system is based on two liquid crystal in silicon spatial light modulators (LCoS-SLM) arranged in a “Z” configuration. This system allows the independent control of two orthogonal linear polarization components, and it is useful to generate diffractive elements with spatial variation of state of polarization. The first application of this system is the development of a complete, punctual and instantaneous polarimeter, based on polarization diffraction gratings. These polarization diffraction gratings are generated by the combination of two pure phase gratings implemented in each modulator. Their combination creates different diffraction orders that act as different polarization analyzers. The second application of the "Z" system is the generation of vector beams and elements of structured light. Using multifocalization lenses implemented in the spatial light modulators and an analyzer it is possible to choose different targeting patterns. In addition, by combining an annular focus with spiral phases, different vector beams were obtained. Finally, a third system was created based on a geometric phase lens and q-plates. These novel optical elements were used to create a longitudinal circular polarization split system, useful to analyze optical vortices and vector beams. In summary, these four papers constitute an advance in the field of methods for the generation or detection of light beams with structured polarization control.