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Achromatic linear retarder with tunable retardance
We present a universal design and proof-of-concept of a
tunable linear retarder of uniform wavelength response in
a broad spectral range. It consists of two half-wave retarders
(HWR) between two quarter-wave retarders (QWRs),
where the uniform retardance can be tuned continuously
by simply rotating one of the HWRs. A proof-of-concept
of this design is built by using commercially available
Fresnel rhomb retarders that provide retardation with almost
wavelength uniformity in the visible and near infrared
from 450 to 1550 nm. The design is universal, since other
achromatic QWRs and HWRs could also be employed. The
system is experimentally demonstrated to control the state
of polarization of a supercontinuum laser
Retardadores ópticos en un rango espectral extendido: caracterización y filtros birrefringentes
Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales y de TelecomunicaciónEsta Tesis Doctoral se presenta en la modalidad de compendio de artículos,
correspondientes los diferentes trabajos realizados. Éstos se centran en el control de la
polarización de la luz mediante retardadores ópticos y su aplicación a la realización de
filtros ópticos espectrales basados en la dispersión de la birrefringencia.
El primer trabajo consiste en el desarrollo de un sistema experimental de
caracterización espectral de la función de retardo, útil para caracterizar retardadores en un
amplio rango que cubra longitudes de onda desde 400 nm hasta 1600 nm. Con este sistema
hemos aplicado un método clásico consistente en situar el retardador entre polarizadores
cruzados o paralelos, y medir el espectro de la luz transmitida cuando se ilumina con una
fuente de luz de amplio espectro continuo. La novedad del trabajo reside en la extensión
del rango espectral hacia la zona del espectro del infrarrojo cercano (NIR), una región de
gran interés en áreas como las comunicaciones ópticas o las aplicaciones biomédicas. El
sistema desarrollado ha requerido la utilización de componentes ópticos útiles tanto en el
rango visible como en el rango NIR. La calibración en un rango espectral tan extenso sirve,
además, para fácilmente identificar distintos tipos de retardadores ópticos (de order cero,
de orden múltiple…). La precisa determinación de la función de retardo espectral permite
además la realización filtros espectrales birrefringentes. Así, en un primer trabajo se ha
mostrado la realización de filtro espectral birrefringente con el diseño clásico de Lyot-
Ohman. Su realización con dos moduladores de cristal líquido nos ha permitido realizar el
filtro sintonizable.
En el segundo trabajo se desarrolla otro diseño clásico de filtro espectral
birrefringente, conocido como el filtro de Solc alternado. Este filtro óptico se ha realizado
de nuevo con moduladores de cristal líquido, lo que permite controlar y sintonizar las
propiedades de modulación. Como novedad, este trabajo presenta un diseño de filtro de
Solc en reflexión, lo que permite usar dos veces la misma cadena de retardadores y mejorar
de esta forma la resolución espectral del filtro. Como elemento clave para poder realizar ivesta
configuración en reflexión se requiere emplear un retardador que actúe como
retardador de cuarto de onda para todas las longitudes de onda del rango espectral de
operación. Este retardador de cuarto de onda debe situarse entre la cadena que constituye
el filtro de Solc y el espejo. Para poder operar en un rango espectral tan amplio se ha
obtenido utilizando un rombo de Fresnel de cuarto de onda.
Finalmente, se ha desarrollado un tercer trabajo en el que se ha realizado un sistema
óptico que actúa como un retardador de retardo variable, pero que mantiene la misma
variación para todas las longitudes de onda del rango de operación. Este sistema resulta
interesante pues la oferta comercial de retardadores acromáticos solamente incluye
retardadores de media onda y de cuarto de onda, normalmente limitados típicamente al
rango visible del espectro, esto es, no suelen inclur el rango NIR. En el trabajo realizado se
ha demostrado la posibilidad de variar a voluntad el valor de retardo en un amplio rango
espectral visible y NIR, usando una combinación apropiada de rombos de Fresnel. El
sistema consiste en dos rombos de Fresnel de media de onda situados entre otros dos
rombos de Fresnel de cuarto de onda. Mediante la rotación relativa de los dos rombos de
Fresnel de media onda centrales se puede controlar el retardo del sistema equivalente,
manteniendo un valor constante para todas las longitudes de onda.
En conjunto, las tres publicaciones que constituyen esta Tesis Doctoral suponen un
avance en las tácnicas de caracterización de retardadores ópticos y en el control espectral
del estado de polarización de la luz.This reoprt is presented in the form of compendium of articles, corresponding to the three
different works carried out during the Doctoral Thesis. The work is centered on the
control of the polarization of light by means of optical retarders and its use as spectral
filters based on the birefringence dispersion.
A first part of the work is devoted to the develeopment of an optical system for the
characterization of the spectral retardance function in a wide spectral range, operating
between 400 nm and 1600 nm. Using this system we have applied a classical technique
based on inserting the retarder between crossed or parallel polarizers and measuring the
transmitted spectrum when teh system is illuminated with a continuous broadband light
source. The novelty of the work consits in the extension of the method to include the near
infrared (NIR) region of the spectrum, a range which is very interesting in areas like optical
communications or biomedical applications. The extension to this spectral region required
the use of optical components useful for both the visible and the NIR ranges. The
calibration of the retarders over such a wide spectral range allows to easily identify different
types of optical retarders (zero order, multiple order, achromatic…). In addition, the
precise measurement of the spectral retardance function allows the realization of
birefringent filters. As an example, this first work includes a tunable birefringent Lyot-
Ohman filter, a classical design that here has been made with two liquid crystal modulators,
thus becoming a tunable filter.
In a second work it is shown the experimental realization of another classical
birefringent spectral filter design, the Solc filter. Again, the optical filter has been made
with two liquid crystal modulators, in order to be tunable. As a novelty, this work presents
a Solc filter design in reflection, which allows the same chain of retarders to be used twice,
and therefore improves the spectral resolution of the filter. The key component to achieve
this reflective design is the use of a quarter-wave retarder between filter chain and the vimirror.
This retarder must be of a quarter-wave retardece for all the wavelengths in the
operative range. This has been obtained using a Fresnel romhb, which maintains an almost
perfect constant retardance over the visible and NIR ranges.
Finally, a third work shows the realization of an optical system equivalent to a
retarder with variable retardance, but maintaing a constant variation for all wavelengths.
This system is interesting because current commercially available retarders are offered
achromatic only for a half-wave retardance or for a quarter-wave retardance, but not for an
arbitrary value, and typically limited to the visible range, i. e., not including the NIR range.
Using a combination of two half-wave Fresnel romhbs located between other two quarterwave
Fresnel romhbs, an equivalent retarder system is demosntrated, The retardance of the
equivalent system is variable, controlled with the relative orientation of the two central halfwave
retarders.
In summary, the three publications that constitute this Doctoral Theis represent an
advance in the research related to optical retarders, the systems for their characterization
and their application in the design and realization of birefringent optical spectral filters
Optical system for measuring the spectral retardance function in an extended range
Background: Optical retarders are key elements for the control of the state of polarization of light, and their wavelength dependance is of great importance in a number of applications.
Methods: We apply a well-known technique for determinig the spectral retardance by measuring the transmission spectra between crossed or parallel polarizers. But we we develop an optical system to perform this measurement in a wide spectral range covering the visible (VIS) and near infrared (NIR) spectrum in the range from 400 to 1600 nm.
Results: As a result we can measure the spectral retardance of different retarders and easily identify the kind of reterder (multiple order, zero-order, achromatic). We show results with tunable liquid-crystal retarders as well, where the technique is applied to determine the spectral retardance as a function of the applied voltage. Finally, the accuracy of the technique is verified by the generation of a birefringent spectral filter.
Conclusions: A technique to measure the spectral retardance of a linear retarder in a wide spectral range is applied to identify different types of retarders, and provide an accurate description of the spectral polarization conversion properties of these elements