Filtro de Lyot

Un filtro de 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 de 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

La trayectoria de la luz (línea discontinua roja) a través de un filtro Lyot de una sola placa. 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 la horizontal. Para la longitud de onda de este ejemplo, la placa de onda transforma la polarización horizontal de la luz en polarización circular. El segundo polarizador transmite solo una parte de la luz, la componente horizontal de la luz polarizada circularmente, lo que resulta en 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 de Lyot surge de la birrefringencia.

Filtro óptico de placa única

El filtro de 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 de Lyot típico de una sola placa, 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 está alineada con la dirección rápida F de la placa de onda , y más lento cuando está alineada con la dirección lenta S ortogonal de la placa de onda . ^{[ 12 ]}^{: 125}^{: 127} La diferencia de velocidad depende de la diferencia entre el índice de refracción ordinario y el índice de refracción extraordinario de la placa de onda . ^{[ 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 incidente en luz polarizada horizontalmente, dejando pasar únicamente el componente de polarización horizontal de dicha luz . La lámina de onda puede modificar la luz polarizada horizontalmente incidente a una polarización diferente según 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 lámina de onda. Por ejemplo, a una determinada longitud de onda, si la luz que sale de la lámina de onda está polarizada horizontalmente, entonces la luz atraviesa completamente el segundo polarizador horizontal, saliendo del filtro óptico sin atenuación . A otra longitud de onda, si la luz que sale de la lámina 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 cierta atenuación que depende de la longitud de onda.

Este filtro óptico de placa única transmite intensidad de luz $I_{T}$ a partir de una entrada de luz polarizada horizontalmente intensidad $I_{X}$ con longitud de onda $\lambda$ , espesor de la placa de onda $d$ , índice de refracción ordinario de la placa de onda $n_{o}$ y placa de onda índice de refracción extraordinario $n_{e}$ : ^{[ 11 ]}^{: 95–96}^{[ 10 ]}

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 monoplaca consecutivos, donde cada lámina de onda tiene la mitad del grosor de la lámina precedente. ^{[ 10 ]} Con este diseño, un gráfico que describa 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 monoplaca a un filtro óptico de 3 láminas con grosor máximo de lámina de onda $d$ Este filtro óptico multiplaca transmite intensidad de luz $I_{T}$ a partir de una entrada de luz polarizada horizontalmente intensidad ${\textstyle I_{X}}$ : ^{[ 10 ]}

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 láminas de onda suelen ser de cuarzo o calcita . ^{[ 1 ]}^{: 109} La rotación de la lámina de onda puede desplazar la longitud de onda de los picos de transmisión. ^{[ 4 ]}^{: 2.5.2} La división de los cristales por la mitad y la adición de una lámina de onda de 1/2 en el medio aumenta el campo de visión del filtro. ^{[ 10 ]} La separación y la estrechez de los picos de transmisión dependen del número, los espesores y la orientación de las láminas. ^{[ 12 ]}^{: 125} Debido a las propiedades birrefringentes dependientes de la temperatura del cuarzo y la calcita, el filtro de Lyot requiere un termostato para minimizar las fluctuaciones de temperatura. ^{[ 1 ]}^{: 109}

Filtros sintonizables

Un filtro de Lyot sintonizable eléctricamente contiene elementos birrefringentes electroópticos o de cristal líquido sintonizables. ^{[ 13 ]}^{: 30} El filtro de Lyot electroóptico sintonizable utiliza optocerámica de niobato de magnesio y plomo-titanato de plomo (PMN-PT) para sintonizar el filtro. ^{[ 6 ]}^{: 5.8.3} Los filtros sintonizables de cristal líquido permiten la sintonización analógica de la longitud de onda transmitida ajustando cuidadosamente el voltaje sobre las celdas de cristal líquido. El ancho de banda espectral del filtro de Lyot de cristal líquido puede variar de 30 nm a 0,05 nm. ^{[ 3 ]}^{: 177} Las dos categorías de filtros de cristal líquido de 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 original de Lyot, pero existen muchos otros diseños para lograr otras propiedades, como la transmisión de banda estrecha o ancha, o la selectividad de polarización. ^{[ 14 ]}

Rendimiento comparativo

El filtro de Lyot y el filtro Fabry-Pérot son los filtros electroópticos sintonizables más comunes. ^{[ 6 ]}^{: 5.8.3} En comparación con el filtro Fabry-Pérot, el filtro sintonizable de Lyot tiene un rango de ajuste más amplio y estable, pero transmite menos luz. ^{[ 6 ]}^{: 5.8.3} La baja transmitancia se produce debido a la gran cantidad de polarizadores altamente absorbentes y a la acción imperfecta de la lámina de onda. ^{[ 3 ]}^{: 177} Los filtros de Lyot pueden contener hasta 12 filtros individuales, lo que los hace costosos y limita su uso en instrumentos compactos. ^{[ 5 ]}^{: 166} A diferencia de los filtros de Lyot, el filtro Solc se basa en solo dos polarizadores, lo que resulta en una menor reducción de luz. ^{[ 10 ]}

Aplicaciones

En astronomía solar, la observación de la cromosfera del Sol , la segunda capa atmosférica del Sol, requiere filtros ópticos de banda estrecha ( espectroheliógrafo ), como un filtro de Lyot, que utiliza longitudes de onda para observar erupciones solares , protuberancias , filamentos y fáculas que surgen del calcio y el hidrógeno . ^{[ 8 ]}^{: 327}^{[ 9 ]}^{: 14}

Los filtros de Lyot de placa simple y múltiple se utilizan frecuentemente 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 de polarización, y no se requieren polarizadores adicionales. Los filtros de Lyot también se utilizan en láseres de titanio - zafiro de banda ancha y osciladores láser de colorante para la selección de longitud de onda. ^[¹¹^]^:⁹⁶

Aunque sus mecanismos son diferentes, tanto los láseres de bloqueo de modos como los láseres de filtro de Lyot producen un peine de múltiples longitudes de onda que se puede colocar en la cuadrícula de canales de la UIT para la multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM) o utilizar 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 ha sido el uso de filtros de Lyot para imágenes químicas Raman. ^{[ 15 ]}^{: 205} Otras aplicaciones han sido en dispositivos de microespectrómetros e imágenes hiperespectrales y fotónica biomédica. ^{[ 5 ]}^{: 163}

Véase también

Citas

1 2 3 4 Stix 2012 .
↑ Lyot 1933 .
1 2 3 Li-Chan, Chalmers y Griffiths 2010 .
1 2 Ambastha 2020 .
1 2 3 4 Crawford 2007 .
1 2 3 4 5 Bain & Chand 2017 .
1 2 Binh y Ngo 2018 .
^ Bhatnagar y Livingston 2005 .
1 2 Harrison 2016 .
1 2 3 4 5 6 Lizana et al. 2019 .
1 2 3 4 5 6 Meschede 2004 .
1 2 Ammann 1971 .
↑ Bhargava y Levin 2008 .
↑ Beeckman et al. 2009 .
↑ Lewis y Edwards 2001 .

Referencias

Ambastha, Ashok (2020). Física del Sol Invisible: Instrumentación, Observaciones e Inferencias . CRC Press. pp. 2.5.2. ISBN 978-1-000-76087-3.
Ammann, EO (1971). «Síntesis de redes ópticas birrefringentes». En Wolf, E. (ed.). Progress in Optics Volumen IX . Elsevier. pp. 125–180 . ISBN 978-0-08-087973-4.
Bain, Ashim Kumar; Chand, Prem (2017). Ferroeléctricos: Principios y aplicaciones . John Wiley & Sons. ISBN 978-3-527-80533-4.
Beeckman, Jeroen; Hui, Tian; Vanbrabant, Pieter JM; Zmijan, Robert; Neyts, Kristiaan (2009). "Filtro sintonizable de longitud de onda selectiva de polarización" . Cristales Moleculares y Cristales Líquidos . 502 (1): 19– 28. Código Bib : 2009MCLC..502...19B . CiteSeerX 10.1.1.159.2814 . doi : 10.1080/15421400902813626 . S2CID 9235494 .
Bhargava, Rohit; Levin, Ira W. (2008). Análisis espectroquímico mediante detectores multicanal infrarrojos . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-99412-2.
Bhatnagar, A.; Livingston, William Charles (2005). Fundamentos de astronomía solar . World Scientific. ISBN 978-981-256-787-1.
Binh, Le Nguyen; Ngo, Nam Quoc (2018). Láseres de fibra ultrarrápidos: Principios y aplicaciones con modelos MATLAB® . CRC Press. ISBN 978-1-4398-1130-6.
Crawford, Gregory Philip (2007). Cristales líquidos: Fronteras en aplicaciones biomédicas . World Scientific. ISBN 978-981-277-887-1.
Lewis, Ian R.; Edwards, Howell (2001). Manual de espectroscopia Raman: Del laboratorio de investigación a la línea de producción . CRC Press. ISBN 978-1-4200-2925-3.
Harrison, Ken M. (2016). Obtención de imágenes de la luz solar mediante un espectroheliógrafo digital . Springer. ISBN 978-3-319-24874-5.
Li-Chan, Eunice; Chalmers, John M.; Griffiths, Peter R. (2010). Aplicaciones de la espectroscopia vibracional en la ciencia de los alimentos, conjunto de 2 volúmenes . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-74299-0.
Lizana, Ángel; Yzuel, María Josefa; Escalera, Juan Carlos; Campos, Juan (2019). Poulin-Girard, Anne-Sophie; Shaw, Joseph A. (eds.). «Capacitación en polarización a través de un ambiente virtual de aprendizaje» . Actas de SPIE . 11143 : 87. doi : 10.1117/12.2523772 . ISBN 978-1-5106-2979-0.
Lyot, B. (1933). "Aparato óptico de campo amplio mediante interferencia de luz polarizada". Acad. Sci . 197 .
Meschede, Dieter (2004). Óptica, luz y láseres . Wiley. ISBN 978-3-527-40364-6.
Stix, Michael (2012). El Sol: Una introducción . Springer Science & Business Media. ISBN 978-3-642-56042-2.

[FOOTNOTEStix2012-1] 1 2 3 4 Stix 2012 .

[FOOTNOTELyot1933-2] Lyot 1933 .

[FOOTNOTELi-ChanChalmersGriffiths2010-3] 1 2 3 Li-Chan, Chalmers y Griffiths 2010 .

[FOOTNOTEAmbastha2020-4] 1 2 Ambastha 2020 .

[FOOTNOTECrawford2007-5] 1 2 3 4 Crawford 2007 .

[FOOTNOTEBainChand2017-6] 1 2 3 4 5 Bain & Chand 2017 .

[FOOTNOTEBinhNgo2018-7] 1 2 Binh y Ngo 2018 .

[FOOTNOTEBhatnagarLivingston2005-8] Bhatnagar y Livingston 2005 .

[FOOTNOTEHarrison2016-9] 1 2 Harrison 2016 .

[FOOTNOTELizanaYzuelEscaleraCampos2019-10] 1 2 3 4 5 6 Lizana et al. 2019 .

[FOOTNOTEMeschede2004-11] 1 2 3 4 5 6 Meschede 2004 .

[FOOTNOTEAmmann1971-12] 1 2 Ammann 1971 .

[FOOTNOTEBhargavaLevin2008-13] Bhargava y Levin 2008 .

[FOOTNOTEBeeckmanHuiVanbrabantZmijan2009-14] Beeckman et al. 2009 .

[FOOTNOTELewisEdwards2001-15] Lewis y Edwards 2001 .

[

[

[

[

[

[

[

[

[

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]