Пространственный фильтр — это оптическое устройство, которое использует принципы Фурье-оптики для изменения структуры пучка света или другого электромагнитного излучения , как правило, когерентного лазерного света . Пространственная фильтрация обычно используется для «очистки» выходного сигнала лазеров, устранения аберраций в пучке из-за несовершенной, грязной или поврежденной оптики или из-за изменений в самой среде усиления лазера . Эта фильтрация может применяться для передачи чистой поперечной моды из многомодового лазера при блокировке других мод, излучаемых оптическим резонатором . [1] [2] Термин «фильтрация» указывает на то, что желаемые структурные особенности исходного источника проходят через фильтр, в то время как нежелательные особенности блокируются. Аппарат, который следует за фильтром, эффективно видит более качественное, но менее мощное изображение источника, вместо фактического источника напрямую. Пример использования пространственного фильтра можно увидеть в усовершенствованной установке микрорамановской спектроскопии.
При пространственной фильтрации для фокусировки луча используется линза . Из-за дифракции луч, который не является идеальной плоской волной, не будет фокусироваться в одном пятне, а вместо этого будет создавать узор из светлых и темных областей в фокальной плоскости . Например, несовершенный луч может образовывать яркое пятно, окруженное серией концентрических колец, как показано на рисунке справа. Можно показать, что этот двумерный узор является двумерным преобразованием Фурье поперечного распределения интенсивности исходного луча . В этом контексте фокальную плоскость часто называют плоскостью преобразования . Свет в самом центре узора преобразования соответствует идеальной, широкой плоской волне. Другой свет соответствует «структуре» в луче, при этом свет, находящийся дальше от центрального пятна, соответствует структуре с более высокой пространственной частотой . Узор с очень мелкими деталями будет создавать свет очень далеко от центрального пятна плоскости преобразования. В приведенном выше примере большое центральное пятно и окружающие его кольца света обусловлены структурой, возникшей при прохождении луча через круглое отверстие . Пятно увеличивается, поскольку луч ограничен апертурой до конечного размера, а кольца относятся к острым краям луча, созданным краями апертуры. Этот узор называется узором Эйри , в честь его первооткрывателя Джорджа Эйри .
Изменяя распределение света в плоскости преобразования и используя другую линзу для реформирования коллимированного пучка, можно изменить структуру пучка. Наиболее распространенный способ сделать это — поместить в пучок отверстие, которое позволяет проходить желаемому свету, блокируя свет, который соответствует нежелательной структуре в пучке. В частности, небольшое круглое отверстие или « отверстие », которое пропускает только центральное яркое пятно, может удалить почти всю тонкую структуру из пучка, создавая гладкий поперечный профиль интенсивности, который может быть почти идеальным гауссовым пучком . С хорошей оптикой и очень маленьким отверстием можно даже аппроксимировать плоскую волну.
На практике диаметр апертуры выбирается на основе фокусного расстояния линзы, диаметра и качества входного луча, а также его длины волны (для более длинных волн требуются большие апертуры). Если отверстие слишком маленькое, качество луча значительно улучшается, но мощность значительно снижается. Если отверстие слишком большое, качество луча может не улучшиться настолько, насколько хотелось бы.
Размер апертуры, которую можно использовать, также зависит от размера и качества оптики. Чтобы использовать очень маленькое отверстие, необходимо использовать фокусирующую линзу с низким числом f , и в идеале линза не должна добавлять существенных аберраций к лучу. Конструкция такой линзы становится все более сложной по мере уменьшения числа f.
На практике наиболее часто используемая конфигурация — это использование объектива микроскопа для фокусировки луча и апертуры, сделанной путем пробивки небольшого, точного отверстия в куске толстой металлической фольги. Такие сборки доступны в продаже.
Исключая вторую линзу, которая преобразует коллимированный пучок, апертура фильтра близко приближается к интенсивному точечному источнику, который производит свет, который приближается к сферическому волновому фронту. Меньшая апертура реализует более близкое приближение точечного источника, который в свою очередь производит более близкий к сферическому волновой фронт.