Me interesa alinear dos haces infrarrojos (10,6um) para que sean lo más colineales posible. ¿Cuál es la mejor manera de hacer esto mientras se mantiene la polarización de los dos haces? ¿Existe un límite teórico de lo bien que pueden ser alineados (por ejemplo, tal vez no se pueden alinear mejor que su longitud de onda)? Necesito que se alineen dentro de unos 10um a una distancia de unos 5 metros para un experimento. Así es como estaba pensando en hacer esto: 
Respuestas
¿Demasiados anuncios?
¡Gran montaje! No envidio su tarea: la IR es muy difícil y frustrante de alinear.
No esperes resolver este problema de la noche a la mañana: este es un proyecto de muchos meses, a menos que puedas encontrar a alguien que haya hecho exactamente esto antes, en cuyo caso habría sido un proyecto de muchos meses para ellos.
Parte de la traducción es fácil: para un ajuste fino, se utiliza una placa angular como sugiere Floris: a medida que se cambia el ángulo, la traducción lateral varía bruscamente como $(n-1)\,t\, \theta $ donde $n$ es el índice de refracción del avión, $t$ su grosor y $ \theta $ la inclinación. Naturalmente necesitarás dos de estos, con ejes de inclinación ortogonales, para conseguir $x$ y $y$ traducción.
Pero también necesitarás la habilidad de traducir toscamente muchos milímetros: al ajustar la orientación del rayo a través del ángulo $ \delta \theta $ se desplazará hacia los lados $5m \times \delta \theta $ al final de tus rayos. Dos periscopios ortogonales de longitud variable equipados con micrómetros harán esto. Podrían perder la placa giratoria si equipan sus periscopios con micrómetros diferenciales.
La alineación de las direcciones es la parte difícil. 10um sobre 5m es una pregunta muy alta: $2 \times 10^{-6}$ radianes o medio segundo de arco. La capacidad de rotar algo con esta precisión es una pregunta difícil de responder: más allá de cualquier goniómetro que se pueda encontrar fácilmente. Un micrómetro diferencial te llevará entre $0.1$ y medio $ \mu m$ resolución de traducción (dependiendo de la práctica), así que estaría basando mi método de rotación en algo como esto con un brazo de palanca de medio a un metro de largo. Con este tamaño, vas a encontrar que las variaciones de temperatura son un problema. Otro método sería tener un espejo en una ballesta; se varía finamente la fuerza en esta última. Naturalmente, necesitarás dos espejos giratorios ortogonales en cualquier dirección para conseguir el $ \phi $ y $ \theta $ coordenadas esféricas.
Sugeriría que su "interior" $10.6{ \rm \mu m}$ la especificación de más de 5m" debe ser examinada con mucho cuidado. ¿Ustedes realmente necesitan esta precisión. Verás, para que un rayo láser sea un "rayo" dentro de $2 \times 10^{-6}$ radianes, esto implica un muy un rayo de luz amplio. Veamos un rayo gaussiano: uno cuya variación transversal va como
$$E(x,\,y,\,z=0) \propto\exp\left (- \frac {x^2+y^2}{2\, \sigma ^2} \right )$$
donde $ \sigma $ el tamaño de las manchas, mide el ancho del rayo. Una definición común del ancho del haz es el diámetro de Petermann II $ \mathscr {P} = 2\, \sqrt {2}\, \sigma $ . La transformación de Fourier de esta bestia va como:
$$ \tilde {E}(k_x,\,k_y) \propto\exp\left (- \frac {1}{2} \sigma ^2 \left (k_x^2+k_y^2 \right ) \right )$$
donde $k_x,\,k_y$ son los números de las venas transversales, de modo que
$$ \theta\approx\frac { \sqrt {k_x^2+k_y^2}}{k} = \frac {k_ \perp }{k}$$
es el ángulo de inclinación relativo a la dirección de propagación nominal de la componente de onda plana en cuestión. Ahora, si los ángulos del haz se limitan a ángulos de inclinación de, por ejemplo. $10^{-5}$ radián, esto significa que $k_ \perp\ , \sigma \approx 2$ cuando $k_ \perp /k \approx 10^{-5}$ es decir.., $10^{-5} \,k\, \sigma\approx 2$ o $ \sigma \approx 10^5\, \lambda / \pi $ que, en $10.6{ \rm \mu m}$ longitud de onda, funciona para ser $0.337{ \rm m}$ . Es decir, su rayo es $ \mathscr {P}=2 \sqrt {2} \sigma \approx 1{ \rm m}$ . ¡Tu rayo es de un metro de ancho! Entonces, ¿realmente quieres alinear tu rayo a $10.6{ \rm \mu m}$ ¿exactitud? (incluso con un rayo tan amplio, su precisión del centroide puede seguir siendo de micrones).
Ahora, sobre la óptica. Ajusta los rayos para que se encuentren en el objetivo de 5 metros. Necesitarás hacer esto con una tarjeta sensorial, un pinhole o un CCD (No estoy seguro de qué tecnología funcionará aquí en $10.6{ \rm \mu m}$ ). Luego, con los haces que se encuentran en el objetivo, se comprueba cuán lejos están separados al principio de sus 5m de recorrido por el mismo método. Esto te permite trabajar en su alineación, así que ahora rotas los haces para que se encuentren al principio de su recorrido. Esta rotación los separará en el extremo lejano, así que trasladas tus haces con el periscopio/vidrio angular para que estén de nuevo juntos en el extremo lejano. Luego repites el proceso. Con suerte, la iteración le traerá el resultado que necesita.
Otro dispositivo que probará la alineación creo que es muy eficaz en su caso es el interferómetro de difracción puntual. No conseguirá tu alineación final, pero te ayudará a encontrar el vecindario de donde necesitas.
Este es un dispositivo genial. La configuración que muestro es un poco diferente de la página Wiki y también de los interferómetros de difracción puntual en la literatura. Tiene un estenopeico de sublongitud de onda P (consigue un estenopeico de microscopia electronica de 1 o 2um) y un objetivo L colimador de alta calidad enfocado en el estenopeico. En el otro brazo del Mach Zehnder hay una rueda de densidad neutra, un atenuador variable. El principio es el siguiente: una copia del haz pasa a través del estenopo de sublongitud de onda, que se convierte en una fuente puntual, casi isotrópica, independiente de la aberración o inclinación del haz. Este libre de aberraciones La fuente es colimada por el objetivo cuyo diámetro de rayo tendrá que ser igual o más amplio que el del rayo láser. Esto está bien, la mayoría de los objetivos tienen anchos de haz conjugados infinitos de entre 6mm y 12mm - lo suficientemente cerca para su aplicación. Vea este http://www.edmundoptics.com/microscopy/infinity-corrected-objectives/zinc-selenide-infrared-ir-focusing-objectives/3423 por ejemplo. De todas formas, ahora tienes un rayo de referencia sin aberraciones que no se inclina con el rayo de entrada - toda la información direccional y de frente de onda es destruida por el estenopeico de sublongitud de onda (se convierte en parte del campo evanescente, que no se propaga). Esta referencia de dirección constante es interferida con el otro brazo del Mach Zehnder. Obviamente, el estenopo arroja una gran cantidad de luz, por lo que ahora debes ajustar la rueda de densidad neutra (también he utilizado una polaroid giratoria) para que coincida con la potencia de los dos haces y obtener una alta visibilidad de los bordes. Así que ahora, al inclinar ligeramente un rayo en la entrada, esta inclinación se mostrará como una inclinación relativa del rayo de entrada y del rayo de referencia. Verán franjas: una franja a través de un haz de 6mm corresponde a una inclinación de 10.6 / 6000, o aproximadamente $10^{-3}$ radianes, y probablemente se puede ver una décima parte de una franja con la práctica, por lo que la resolución será $10^{-4}$ Radianes. Si haces que uno de los espejos se arrastre hacia adelante y hacia atrás una longitud de onda más o menos con un piezotraductor a una frecuencia de unos pocos hertzios, obtendrás un patrón brillante que te ayudará a anular los bordes con precisión.
Así que colocas este dispositivo en una montura de dos ejes de inclinación (o dos inclinaciones + X-Y, si no puedes poner el centro de rotación en la entrada del dispositivo) y ajustas la orientación del rayo para anular los bordes de uno de los rayos. Hazlo cerca del comienzo de los rayos para que las inclinaciones de los rayos sólo generen pequeñas traslaciones. Luego traduce el segundo rayo para entrar en el dispositivo y ajusta su inclinación para anular los bordes. Los rayos están ahora alineados y cuando los traduzcas juntos, deberían estar muy cerca de la configuración que necesitas.
ADVERTENCIA: Me odiarás por decir esto, pero estoy entrenado como oficial de seguridad de láser, así que siento que tengo que decirlo aunque tú y tu alma mater probablemente estén bien fundamentados en los principios: uno no puede exagerar los peligros de la luz infrarroja. Tu cuerpo carece del relfex de parpadeo que probablemente hará que incluso una visión accidental de clase 3R de la luz visible sea bastante inofensiva a largo plazo. No es así con la IR, el daño severo puede ser bastante indoloro e imperceptible al principio. Una de las universidades para las que trabajé tuvo un caso en el que un experimentador perdió la vista en un ojo (temporalmente, aunque hubo algún daño permanente residual) y sin embargo no fue consciente de ello (el cerebro hace trucos asombrosos de relleno) y fue atropellado por un coche (afortunadamente no de forma mortal) cuando fue a almorzar. Asegúrese de conocer las exposiciones máximas permitidas por la IEC 80625 y manténgase dentro de ellas. No puedes ver los rayos, así que tus gafas de seguridad no serán un obstáculo.
Buena suerte, y asegúrese de escribir lo que venga como respuesta a su propia pregunta.
Scott
Puntos
2453
Aunque el método ilustrado en la imagen siguiente puede en principio asegurar un nivel sin precedentes de colinear los haces de una manera bastante sencilla, en la práctica está sujeto a la disponibilidad así como un un nivel razonable de rendimiento en el uso de componentes de fibra óptica en el $10\, \mu $ m régimen (había escrito una respuesta larga y completa, y justo antes de publicarla, me di cuenta de que la longitud de onda de interés es $10.6\, \mu $ m en lugar de $1.06\, \mu $ m).
Y desafortunadamente, parece más difícil encontrar componentes de fibra. Una búsqueda rápida en Google mostró algunos componentes como fibras , acopladores de fibra , colimadores de fibra pero no pude encontrar controladores de polarización. Además, estos componentes pueden ser no sólo bastante caros, sino también bastante perdidos.
Sin embargo, si ves algún potencial en este método, podrías tratar de ampliar la encuesta, obtener citas de las empresas, y ver si el tiempo y dinero las estimaciones pueden resultar no muy malas?
