فیلتر فضایی

برای از بین بردن نوسانات تصادفی در پروفایل شدت پرتوی یک لیزر از فیلترهای فضایی استفاده می شود. این عمل باعث افزایش وضوح می شود که برای کاربردهایی مانند هولوگرافی و پردازش داده های اپتیکی ضروری است.

نوسانات شدت پرتوی یک لیزر بر اثر پراکندگی توسط نقص های شیشه های اپتیکی و ذرات موجود در هوا افزایش می یابد. با گسترده کردن پرتوی یک لیزر بر روی یک صفحه این اثر قابل مشاهده است.

فیلتر کردن فضایی از نظر مفهومی ساده است: یک پرتوی لیزر موازی شده و همدوس ایده آل به گونه ای رفتار می کند که گویی توسط یک منبع نقطه ای در مسافتی دور تولید شده است. فیلتر کردن فضایی که شامل کانونی کردن یک پرتو است، یک تصویر از "منبع" با تمام عیوب ایجاد شده در مسیر نوری در یک حلقه اطراف محور تولید می کند.

وقتی یک پرتو توسط یک لنز آسفریک کانونی می شود، پرتو فرودی به یک نقطه گوسی مرکزی (بر روی محور اپتیکی ) و فرانژهای کناری، که نویز ناخواسته را نشان می دهند، تبدیل می شود. با قرار دادن یک پین هول بر روی نقطه گوسی مرکزی، قسمت تمیز پرتو می تواند از پین هول عبور کند در حالی که قسمت نویز مسدود می شود.

فیلتر فضایی | پلاریتک

پروفایل ایده آل گوسی پرتو لیزر I، توسط نوسانات δI ایجاد شده در شدت  بر اثر پراکندگی، آلوده می شود. δI به سرعت در طول یک مسافت میانگین dn که بسیار کوچکتر از شعاع پرتو (a) است، تغییر می کند. فاصله dn به صورت طول موج فضایی میانگین نویز پرتو لیزر شناخته می شود.

وقتی یک لنز مثبت با فاصله کانونی f یک پرتوی گوسی را کانونی می کند، تصویر صفحه ی کانونی (طیف توان اپتیکی یا OPS) یک نقشه ی وارون از طول موج فضایی موجود در پرتو است. نویز با طول موج کوتاه (dn) در حلقه ای به شعاع fλ/dn به مرکزیت محور اپتیکی ظاهر خواهد شد. طول موج فضایی بلند یک پروفایل اپتیکی ایده آل مستقیما بر روی محور اپتیکی تصویری را ایجاد خواهد کرد.

عملکرد فیلتر فضایی

یک پین هول واقع شده بر روی محور می تواند حلقه های نویز نا خواسته را مسدود کند، در حالی که بیشتر انرژی لیزر از آن عبور می کنند. کسری از نور که از پین هول با قطر D عبور میکند عبارت است از:

نور عبوری از فیلتر فضایی

 

 

 و کمینه طول موج نویز عبور کرده توسط پین هول برابر است با:

کمینه طول موج نویز عبور کرده توسط پین هول

 

 

قطر پین هول مناسب از رابطه زیر بدست می آید:

قطر پین هول مناسب

 

 

این پین هول 99.3 درصد از انرژی پرتو را عبور می دهد و طول موج های فضایی کمتر از 2a (یعنی قطر پرتو اولیه) را مسدود خواهد کرد. از آن جایی که dn همیشه بسیار کرچکتر از قطر پرتو است، پرتو فیلتر شده بسیار نزدیک به پروفایل ایده آل است.

در عمل، قطر پین هول بر اساس فاصله کانونی لنز، قطر آن، کیفیت پرتو فرودی و طول موج آن تعیین می شود. اگر قطر پین هول خیلی کوچک باشد، کیفیت پرتو به مقدار زیادی افزایش می یابد اما افت توان آن نیز زیاد خواهد بود. همچنین اگر قطر پین هول زیاد باشد، کیفیت پرتو به مقدار دلخواه افزایش نمی یابد.

جهت اسفاده از یک پین هول با قطر کوچک، باید از یک لنز به ضریب F پایین استفاده کرد و به صورت ایده آل لنز نباید ابیراهی قابل توجهی را به پرتو بیفزاید. طراحی چنین لنزی با کاهش ضریب F دشوارتر می شود.

منبع: Newport, Thorlabs