Compensación de la dispersión cromática asociada a la propagación de la luz en el espacio libre. Diseño de dispositivos acromáticos basados en la difracción.

RESUMEN El gran interés suscitado por las técnicas de tratamiento óptico de la información durante las últimas décadas tiene su origen, al menos parcialmente, en la capacidad inherente que presentan los sistemas ópticos para la manipulación en paralelo a la velocidad de la luz, de señales de entrada bidimensionales, en contraste con el tratamiento en serie de los sistemas electrónicos de procesado digital. Sin embargo, los procesadores coherentes son sistemas que proporcionan una redundancia nula en el tratamiento de la información, por lo que son muy vulnerables al ruido coherente generado por la presencia de polvo o defectos en los elementos ópticos. Por todo ello, a parte de este procesado convencional, es cada vez más frecuente en óptica el diseño de dispositivos que trabajen con iluminación espacialmente incoherente y/o con luz blanca. Estos nuevos sistemas se caracterizan por una mayor insensibilidad a la falta de estabilidad mecánica lo que les permite una mejor adaptación al entorno que sus homólogos coherentes. En esta dirección, los procesadores que trabajan con luz temporalmente incoherente añaden la ventaja de poder utilizar cualquier fuente de luz de ancho de banda extenso, tales como lámparas incandescentes, diodos emisores de luz, etc. Estos dispositivos, además, están especialmente adaptados para el procesado de señales de entrada policromáticas. Sin embargo, debido a la dependencia explícita del fenómeno de difracción con la longitud de onda de la radiación incidente, el uso de luz de ancho de banda extenso conduce a la distorsión cromática de los patrones de difracción, tanto de Fresnel como de Fraunhofer, imposibilitando la utilización directa de los procesadores ópticos convencionales en el caso de luz blanca. Una forma de encarar esta situación es mediante el empleo de sistemas ópticos que sean capaces de compensar simultáneamente, para todas las longitudes de onda, la dispersión cromática inherente al fenómeno de la difracción. De este modo, un patrón de difracción debe estar localizado en un único plano y poseer la misma escala para todos los canales monocromáticos de la fuente de iluminación. Los sistemas acromáticos son aquellos dispositivos que cumplen este requisito en una aproximación a primer orden. En general, para compensar la dispersión cromática de los patrones de difracción, es necesaria la utilización de elementos ópticos fuertemente dispersivos. De entre ellos, los elementos ópticos difractivos proporcionan un amplio abanico de posibilidades al trabajar por difracción. Además, se pueden fabricar fácilmente con la tecnología actual: fotolitografía, escritura directa con láser, holografía, etcétera, por lo que su uso está muy extendido. De todos los elementos difractivos posibles, nuestro interés se centra en la utilización exclusiva de lentes difractivas. Una lentes difractiva "blazé" es un elemento puro de fase capaz de concentrar toda la energía incidente en un único foco cuando trabaja con la longitud de onda para la que ha sido diseñado. Estos elementos presentan una fuerte aberración cromática, proporcional al número de onda de la radiación incidente. Este hecho es, precisamente, el que aprovechan nuestros dispositivos para conseguir patrones de difracción acromáticos. En esta tesis doctoral hemos diseñado sistemas ópticos temporalmente incoherentes que permiten el registro acromático de patrones de difracción, tanto de Fresnel como de Fraunhofer, y el procesado óptico de señales policromáticas. El tratamiento teórico se ha realizado utilizando la teoría paraxial de la difracción y, en concreto, bajo la aproximación de Fresnel-Kirchhoff. Como primer sistema óptico, hemos diseñado un triplete híbrido refractivo-difractivo que proporciona el patrón de difracción de Fraunhofer acromático de una transparencia bidimensional. Este dispositivo carece de aberración cromática longitudinal y tiene una aberración cromática transversal es muy reducida. De hecho, es un orden de magnitud inferior que la presente en el patrón de difracción de Fraunhofer obtenido con luz policromática mediante un sistema refractivo convencional. Posteriormente, hemos reconocido una regla de paso que permite obtener patrones de difracción de Fresnel a partir de un dispositivo transformador de Fourier acromático. Para ello, basta insertar una lente difractiva adherida al objeto difractante. De este modo, en el plano de salida de nuestro dispositivo se obtiene un patrón de Fresnel acromático cuyo perfil de irradiancia varía en función de la focal de la lente difractiva pegada al objeto. Nuestro segundo objetivo, ha sido el diseño de nuevos procesadores ópticos que trabajan con objetos en color. Por un lado, hemos diseñado dos correladores que emplean como iluminación una fuente extensa de luz blanca. Este tipo de sistemas aúnan las ventajas proporcionadas por la iluminación espacialmente incoherente y las correspondientes a la utilización de fuentes de luz blanca. De este modo, procesan las distribuciones de irradiancias de señales extensas policromáticas procedentes, por ejemplo, de un monitor de televisión en color. Por último, hemos diseñado un dispositivo óptico que realiza operaciones de procesado espacialmente variante de objetos en policromáticos utilizando una fuente de iluminación espacialmente coherente y temporalmente incoherente. De este modo, somos capaces de reconocer un objeto determinado en una escena de entrada sólo cuando el mismo se ubica en la posición deseada. El resto de posiciones del patrón a detectar no son consideradas por el sistema lo que permite una discriminación mayor que la proporcionada por un sistema convencional que, al ser espacialmente invariante, discrimina exclusivamente en función de la forma del objeto. Además, por tratarse de un dispositivo acromático, la distribución de irradiancia del plano de salida nos proporciona información sobre la distribución espectral del patrón reconocido en el plano de entrada. Todos estos dispositivos acromáticos han sido implementados en el laboratorio y los resultados obtenidos verifican las propuestas teóricas así como el buen funcionamiento de los mismos. __________________________________________________________________________________________________ SUMARY The scope of this work is the compensation of the chromatic dispersion inherent to free-space light propagation, both in the Fraunhofer and in the Fresnel diffraction region. The cornerstone of our procedure lies in achieving, in a first-order approximation, the incoherent superposition of the monochromatic versions of the selected diffraction pattern in a single plane and with the same scale for all the wavelengths of the incident light. Our first configuration, an achromatic Fourier transformer, is formed by a combination of two diffractive lenses and a refractive lens, providing an achromatic image of the Fraunhofer diffraction pattern of the input transparency. Moreover, we have recognize that any dispersion-compensated optical Fourier transformer can be adapted to achieve wavelength compensation in the Fresnel diffraction region just by inserting a diffractive lens at the input plane. In this way, we obtain another device that provides the desired achromatic Fresnel pattern by selecting the focal length of the attached diffractive lens. The resulting achromatic hybrid (diffractive-refractive) systems are applied, in a second stage, for implementing totally-incoherent optical processors. These processors have been applied to develop space-invariant achromatic pattern recognition experiments with different size of the target in the input scene. Finally, we report a hybrid chromatically-compensated Fresnel processor to perform space-variant color pattern recognition operations in a single step. All the achromatic devices were experimentally tested. In all the cases, the residual chromatic aberrations are low even when the spectrum of the incident light spreads over the whole visible region and there is a remarkable reduction of the coherent noise

Encoding of arbitrary micrometric complex illumination patterns with reduced speckle

In nonlinear microscopy, phase-only spatial light modulators (SLMs) allow achieving simultaneous two-photon excitation and fluorescence emission from specific regionof-interests (ROIs). However, as iterative Fourier transform algorithms (IFTAs) can only approximate the illumination of selected ROIs, both image formation and/or signal acquisition can be largely affected by the spatial irregularities of the illumination patterns and the speckle noise. To overcome these limitations, we propose an alternative complex illumination method (CIM) able to generate simultaneous excitation of large-area ROIs with full control over the amplitude and phase of light and reduced speckle. As a proof-of-concept we experimentally demonstrate single-photon and second harmonic generation (SHG) with structured illumination over large-area ROIs

Encoding complex fields by using a phase-only optical element

We show that the amplitude and phase information from a two-dimensional complex field can be synthesized from a phase-only optical element with micrometric resolution. The principle of the method is based on the combination of two spatially sampled phase elements by using a low-pass filter at the Fourier plane of a 4 - f optical system. The proposed encoding technique was theoretically demonstrated, as well as experimentally validated with the help of a phase-only spatial light modulator for phase encoding, a conventional CMOS camera to measure the amplitude of the complex field, and a Shack-Hartmann wavefront sensor to determine its phase.This work was funded by the Generalitat Valenciana through the programme (PROMETEO/2012/021), and by University Jaume I through the project P1·1B2013-53. The authors are also very grateful to the SCIC of the Universitat Jaume I for the use of the femtosecond laser

Femtosecond-laser-irradiation-induced structural organization and crystallinity of Bi2WO6

Controlling the structural organization and crystallinity of functional oxides is key to enhancing their performance in technological applications. In this work, we report a strong enhancement of the structural organization and crystallinity of Bi2WO6 samples synthetized by a microwave-assisted hydrothermal method after exposing them to femtosecond laser irradiation. X-ray difraction, UVvis and Raman spectroscopies, photoluminescence emissions, energy dispersive spectroscopy, feld emission scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy were employed to characterize the as-synthetized samples. To complement and rationalize the experimental results, frstprinciples calculations were employed to study the efects of femtosecond laser irradiation. Structural and electronic efects induced by femtosecond laser irradiation enhance the long-range crystallinity while decreasing the free carrier density, as it takes place in the amorphous and liquid states. These efects can be considered a clear cut case of surface-enhanced Raman scattering

Green nanoparticle synthesis at scale : a perspective on overcoming the limits of pulsed laser ablation in liquids for high-throughput production

Nanoparticles have become increasingly important for a variety of applications, including medical diagnosis and treatment, energy harvesting and storage, catalysis, and additive manufacturing. The development of nanoparticles with different compositions, sizes, and surface properties is essential to optimize their performance for specific applications. Pulsed laser ablation in liquid is a green chemistry approach that allows for the production of ligand-free nanoparticles with diverse shapes and phases. Despite these numerous advantages, the current production rate of this method remains limited, with typical rates in the milligram per hour range. To unlock the full potential of this technique for various applications, researchers have dedicated efforts to scaling up production rates to the gram-per-hour range. Achieving this goal necessitates a thorough understanding of the factors that limit pulsed laser ablation in liquid (PLAL) productivity, including laser, target, liquid, chamber, and scanner parameters. This perspective article explores these factors and provides a roadmap for increasing PLAL productivity that can be adapted to specific applications. By carefully controlling these parameters and developing new strategies for scaling up production, researchers can unlock the full potential of pulsed laser ablation in liquids

Pulsed laser ablation in liquids for the production of gold nanoparticles and carbon quantum dots: from plasmonic to fluorescence and cell labelling

Ponència presentada a Smart Nanomaterials: Advances, Innovation and Applications (SNAIA 2019), celebrat a París els dies 10-13 de desembre de 2019The synthesis of high purity ligand free nanoparticles represents one of the requirements for nanotechnology application in highly relevant fields as nanomedicine and theranostics. Laser synthesis and processing of colloids permits the synthesis of ligand free nanoparticles with reduced impurities from bulk targets and colloidal dispersions. In the present contribution a novel approach for enhanced production of ligand free gold nanoparticles by femtosecond ablation of a bulk target is studied together with a more efficient synthesis of fluorescent carbon quantum dots from a colloidal suspension of carbon microparticles in polyethylene glycol

Overcoming the barrier of nanoparticle production by femtosecond laser ablation in liquids using simultaneous spatial and temporal focusing

There exists an increasing demand of industrial-scale production of high-purity ligand-free nanoparticles due to the continuous development of biomedicine, catalysis, and energy applications. In this contribution, a simultaneous spatial and temporal focusing (SSTF) setup is first proposed for increasing nanoparticle productivity of the eco-friendly pulsed laser ablation in liquids (PLAL) technique. In spite of the fact that femtosecond pulses have proved to achieve higher ablation rates in air than picosecond pulses, in PLAL this is reversed due to the nonlinear energy losses in the liquid. However, thanks to the incorporation of SSTF, the energy delivered to the target is increased up to 70%, which leads to a nanoparticle production increase of a 2.4 factor. This breaks a barrier toward the employment of femtosecond lasers in high-efficiency PLAL

Diffractive optics for quasi-direct space-to-time pulse shaping

The strong chromatic behavior associated with a conventional diffractive lens is fully exploited to propose a novel optical device for pulse shaping in the femtosecond regime. This device consists of two optical elements: a spatially patterned circularly symmetric mask and a kinoform diffractive lens, which are facing each other. The system performs a mapping between the spatial position of the masking function expressed in the squared radial coordinate and the temporal position in the output waveform. This space-to-time conversion occurs at the chromatic focus of the diffractive lens, and makes it possible to tailor the output central wavelength along the axial location of the output point. Inspection of the validity of our device is performed by means of computer simulations involving the generation of femtosecond optical packet

Spectral analysis of femtosecond pulse diffraction through binary diffractive optical elements: theory and experiment

We report on the changes in the spectrum of a femtosecond pulse originated by diffraction of the ultrashort waveform through a circularly symmetric binary diffractive optical element. The analysis is performed in the framework of the Rayleigh-Sommerfeld formulation of the diffraction, where an analytical expression for the monochromatic amplitude distribution close to the optical axis is obtained. To corroborate our results, we experimentally measure the variations of the pulse spectrum within the collecting area of a spectrometer located at the output plane. Multiple splitting of the pulse spectrum in the vicinity of a focal position and a phase singularity are show