¿Cómo producir una combinación sin pérdidas de dos haces "idénticos"?

Question

Esto es para cualquier persona con experiencia en óptica/imagen/fotografía, así como para cualquier persona a la que le guste resolver problemas de física complicados.

Como sugiere el título, se trata de combinar dos (a efectos prácticos) haces de luz idénticos en un sistema óptico para convertirlos en un haz con el doble de intensidad. Ojo, no estoy hablando de rayos láser monocromáticos, aunque el problema subyacente sería el mismo. Como ejemplo, imagina un sistema de imagen de lujo que has construido y con el que miras objetos, que son bastante tenues. Por lo tanto, te gustaría mejorar la calidad de la imagen recogiendo la mayor cantidad de luz posible procedente de esa fuente utilizando no una, sino múltiples copias de tu elegante dispositivo. A continuación, proyectas los haces de esos dispositivos en, digamos, un único chip CCD y, de este modo, obtienes una mayor relación señal/ruido. Sólo tienes una cámara disponible, así que comprar unas cuantas cámaras adicionales y superponer las imágenes en tu PC NO es una opción.

Ahora, el quid de este problema es: ¿Cómo se combinan varios haces idénticos en uno solo, manteniendo la pérdida de intensidad (que ciertamente se puede esperar) al mínimo?

En general, parece que hay dos enfoques básicos para abordar este problema:

1. No te molestes en combinar los haces, en su lugar, proyecta los haces desde diferentes ángulos sobre el CCD y trata de alguna manera la distorsión/desenfoque variable de las imágenes resultantes causadas por los diferentes ángulos de incidencia.

2. Intenta combinar las vigas en una sola. Así no tendrás que lidiar con los problemas que surgen desde diferentes ángulos como en la primera estrategia.

Intuitivamente, prefiero la opción 2, pero después de reflexionar sobre ella durante una semana, he descubierto que el problema de combinar haces idénticos no es tan sencillo.

Tal vez alguno de ustedes haya tenido que lidiar con un problema similar o tal vez tenga una buena idea de cómo resolverlo. Hacedme saber lo que pensáis, ¡también intentaré explicar algunas de las ideas (defectuosas) que he tenido un poco más tarde!

Answer 1

Si sólo desea una suma de las intensidades de entrada y la polarización final del haz de salida no es un problema, entonces podría utilizar un cubo divisor/combinador de polarización de 2 puertos (PBS/C). Esto puede ser suficiente, por ejemplo, cuando el chip CCD es insensible a la polarización.

Suponiendo que los haces espacialmente separados pero idénticos poseen polarización horizontal (haz H), se necesitaría una placa de media onda (HWP) para convertir uno de ellos en polarización vertical (haz V) y luego combinar cada uno de ellos en el cubo PBS/C. Supongo que esto se podría conseguir con <5% de pérdida total para cada uno de los dos haces. Los componentes de buena calidad con revestimientos antirreflectantes, etc., probablemente podrían dar lugar a pérdidas aún menores (<1%).

Answer 2

El uso de un PBS/C + waveplate puede ser una solución elegante en muchas situaciones, pero desafortunadamente, los haces considerados aquí están polarizados aleatoriamente (estamos tratando con fuentes incoherentes como estrellas o moléculas fluorescentes).

Reversibilidad en el tiempo: ¡He pensado lo mismo! Por muy elaborada que sea la configuración, parece que siempre se acaba con un severo compromiso entre la transmitancia y la eficiencia de la combinación.

Si uno se decidiera por la opción 1, el reto sería minimizar el ángulo de diferencia entre los haces incidentes, manteniendo la longitud del camino óptico al mínimo (por ejemplo, la distancia entre la lente del tubo y el CCD no debería exceder de unas decenas de centímetros). Sólo que... ¿cómo?