Técnicas Avanzadas de Imágenes para el Comportamiento de la Luz

Imaginar tanto la Polarización como el Frente de onda de un haz de luz es un trabajo complicado. Generalmente se necesitan múltiples capturas de intensidad. Esto se vuelve un reto si estamos tratando de monitorear procesos ultrarrápidos. Una solución potencial para capturar tanto el frente de onda como el estado de polarización de la luz al mismo tiempo es usar un dispositivo especial llamado interferómetro de cizallamiento lateral de haz vectorial. Este dispositivo usa una máscara especial colocada cerca de una cámara que recoge toda la información en una sola imagen.

Los sensores ópticos típicos solo miden la intensidad de la luz. Sin embargo, a menudo hay información valiosa oculta en la fase espacial o el frente de onda de la luz, así como en su estado de polarización, que incluye la amplitud y fase relativas de dos componentes de polarización diferentes. Imaginar el frente de onda y la polarización es importante para varias aplicaciones como:

• Medir la fase es crucial para alinear arreglos de láser segmentados o para imaginar objetos transparentes. Esto puede brindar datos útiles sobre la masa seca de las células.
• La imagen polarimétrica es beneficiosa para propósitos biológicos y biomédicos, así como para pruebas no destructivas y visión por computadora, especialmente en condiciones difíciles como la niebla.
• Capturar tanto la fase como la información polarimétrica es vital para óptica avanzada, metrología de nuevos materiales y microscopía.

Normalmente, se necesitan múltiples imágenes para analizar completamente el campo electromagnético en el rango óptico. Desafortunadamente, no hay un dispositivo simple que pueda imaginar completamente los campos de ondas electromagnéticas en una sola captura.

Se han desarrollado muchos métodos para capturar ya sea polarización o fase, pero hay menos soluciones que capturen efectivamente ambas características juntas. Combinar estos métodos por separado a menudo resulta en sistemas complicados y costosos. Las soluciones existentes tienden a ser secuenciales, incompletas en la captura de polarización o ofrecen baja resolución.

Aquí presentamos un método para capturar tanto el frente de onda como el estado completo de polarización de un haz de luz en una sola vez. La técnica se basa en un método conocido como interferometría de cizallamiento lateral (LSI). En LSI, un gratinado de fase actúa como una máscara colocada cerca de un sensor de cámara, creando una densa rejilla de focos. Esencialmente, LSI sirve como una versión de alta resolución de los populares sensores de frente de onda Shack-Hartmann.

En LSI, la información de intensidad se incluye en el contenido de baja frecuencia espacial de la imagen capturada, mientras que los gradientes del frente de onda se codifican como modulaciones en frecuencia espacial.

Proponemos usar una máscara que ajusta la polarización para codificar tanto la imagen de Stokes completa como el frente de onda del haz de luz. Este método puede verse como un tipo de técnica de imagen canalizada, a diferencia de otras técnicas que dividen amplitud o apertura. Nuestro método para la imagen del frente de onda polarimétrico de Stokes completo funciona incluso con estados de polarización parcialmente coherentes. Es altamente acrómico, proporciona imágenes de alta resolución y podría potencialmente usarse en diseños compactos.

#El Principio del LSI Polarimétrico

La técnica de LSI polarimétrico usa una máscara que modifica la polarización y tiene birrefringencia lineal. Esta máscara cambia el estado de polarización circular del haz de luz. Al alterar la orientación del eje birrefringente de la máscara, podemos crear una modulación del gratinado de fase, que es esencial para LSI.

La fase añadida al estado de polarización modificado del haz está definida por el diseño específico del ángulo del eje birrefringente, asegurando que el gratinado de fase permanezca acrómico. Este principio se utiliza en varias aplicaciones que aprovechan la fase geométrica en óptica.

Al convertir parcialmente los componentes principales del haz entrante a diferentes estados de polarización, podemos crear patrones de interferencia que reflejan tanto sus amplitudes relativas como sus fases. Cuando esta máscara se coloca cerca de un sensor de cámara, puede así codificar tanto el estado de polarización como el frente de onda del haz de luz en patrones de interferencia.

#Diseño del Sistema Óptico

El sistema implica imaginar una máscara birrefringente periódica a una distancia específica de un sensor de cámara. Esta máscara crea varios órdenes difractados que pueden ser gestionados con un bloque de apertura si es necesario. Se forman rejillas de intensidad específicas en el plano de la cámara para haces que tienen estados de polarización que crean un volumen visible en la esfera de Poincaré.

La intensidad en la cámara está determinada por las características del haz de luz y el diseño de la máscara birrefringente. Al analizar las imágenes obtenidas, podemos derivar el mapa del frente de onda mediante métodos numéricos.

#Reconstrucción de Imágenes y Medición

Para extraer información útil, necesitamos resolver ecuaciones que representan las transformaciones que ocurren en el sistema óptico. Esto implica métodos numéricos que emplean técnicas como el método de Lucas-Kanade, que considera la uniformidad de la información buscada en un área seleccionada.

Al usar estos métodos, mejoramos la resolución de imagen y producimos mediciones cuantitativas del frente de onda. Este proceso es crucial para medir con precisión las características de diferentes materiales y fenómenos.

Se realizaron pruebas específicas para validar este método. Usamos un objetivo particular conocido por sus propiedades birrefringentes. Estas pruebas nos permitieron confirmar la precisión de las mediciones de polarización y frente de onda al comparar diferentes técnicas de recolección de datos.

Otro montaje utilizó un óptico de estrés ingenierado (SEO) que crea haces de polarización estructurada. Este montaje ayudó a caracterizar aún más el patrón de birrefringencia y cualquier distorsión geométrica presente.

#Conclusión y Trabajo Futuro

Hemos demostrado que es posible extender los principios de la interferometría de cizallamiento lateral a haces vectoriales, capturando tanto el estado de polarización como el frente de onda en una sola adquisición. Dado que se recopila más información de esta manera, esto requiere una configuración de cámara más compleja.

El diseño optimizado de la máscara birrefringente nos permite medir eficazmente la coherencia espacial resuelta por polarización de la fuente de luz. Esta capacidad es esencial para aplicaciones que requieren alta precisión en la medición de luz.

Nuestro enfoque ilustra el potencial de combinar estos métodos de imagen para obtener una comprensión completa del comportamiento de la luz. Los desarrollos futuros pueden expandir este trabajo, adaptando diseños para diferentes aplicaciones basadas en condiciones y materiales específicos.

Esta tecnología de imagen innovadora abre nuevas posibilidades en campos como biología, ciencia de materiales e incluso en aplicaciones industriales específicas. A medida que la tecnología sigue avanzando, podemos esperar métodos y dispositivos más refinados para su uso práctico en varios dominios científicos e industriales.