Synthetic aperture single-exposure on-axis digital holography

We present a system for reconstructing single-exposure on-line (SEOL) digital holograms with improved resolution using a synthetic aperture. Several recordings are made in order to compose the synthetic aperture, shifting the camera within the hologram plane. After processing the synthetic hologram, an inverse Fresnel transformation provides an enhanced resolution reconstruction. We show that recognition capacity for high frequency details is increased. Experimental results with a test target and with a microscopic biological sample are presented. Both visualization and correlation results are reporte

Sensores de fibra óptica codificados en frecuencia: medida de voltaje y corriente

RESUMEN Las ventajas de los sensores de fibra óptica resuelven muchos de los inconvenientes presentados por los dispositivos de medida tradicionales. En el caso de la medida de voltaje y corriente, resultan especialmente interesantes características como el carácter dieléctrico de la fibra óptica y su inmunidad frente a la interferencia electromagnética, ya que eliminan la necesidad de incorporar complejos sistemas de aislamiento, que muchas veces incluyen sustancias peligrosas o contaminantes. Esta tesis muestra una nueva concepción de sensores de fibra óptica de voltaje y corriente, para señales de corriente alterna y sistemas de alta tensión, cuya característica principal es la codificación en frecuencia de la medida. El tipo de codificación utilizado soluciona los problemas asociados con las múltiples causas que perturban la intensidad de la luz en un sistema de fibra óptica (como el envejecimiento de la fuente de luz o el desajuste de conectores), y que suelen afectar a los sensores codificados en amplitud. En el desarrollo de los sistemas propuestos se ha tenido en cuenta su aplicación final en las redes de distribución de energía eléctrica. La modulación de fase de una señal de luz que se propaga por una fibra óptica monomodo modifica las propiedades de su espectro en frecuencia. La información sobre la modulación de fase aplicada aparece como una codificación en frecuencia en su espectro, que podemos recuperar mediante un proceso de detección coherente. Una manera sencilla de realizar un procedimiento de detección homodina consiste en construir una configuración interferométrica Mach-Zehnder. Aunque los sensores presentados constituyen un interferómetro de este tipo, la medida se mantiene insensible a la deriva de fase o a los desajustes de polarización, gracias a las propiedades de la codificación utilizada. Además, la configuración Mach-Zehnder nos permite obtener de forma sencilla sensores que calculan ópticamente la suma y resta de señales, como comprobamos experimentalmente. El punto esencial en que se sustenta esta nueva propuesta de sensor codificado en frecuencia es la posibilidad de emplear moduladores de fase de alta eficiencia y elevado rango dinámico controlados por voltaje o corriente, para conseguir así sensores de gran sensibilidad. Conseguimos este objetivo mediante la utilización de transductores formados por cerámicas piezoeléctricas y materiales magnetostrictivos, sobre los que bobinamos una gran longitud de fibra. Estos materiales experimentan una deformación cuando se les aplica un campo eléctrico o magnético respectivamente, generando una tensión mecánica en la fibra bobinada sobre ellos. Hemos prestado una especial atención a los bobinados de fibra sobre tubos piezoeléctricos. De hecho, hemos desarrollado un modelo teórico sencillo que predice la modulación de fase generada en función de las características particulares de los tubos empleados, que ha sido verificado experimentalmente con los resultados obtenidos a partir de elementos de diferentes geometrías y tipos de material. En total, hemos bobinado treinta tubos piezoeléctricos. Por su parte, los sensores fundamentados en la magnetostricción están formados por núcleos de acero al silicio, de los empleados en los transformadores de medida de corriente. Muchos de los bobinados sobre tubos piezoeléctricos contienen múltiples capas de fibra, incrementándose todavía más su eficiencia. La construcción de bobinados multicapa de gran calidad y eficiencia, sin pérdidas de luz significativas, ha sido posible gracias a una bobinadora semiautomática diseñada y construida por nosotros. La memoria describe el trabajo de montaje de los diferentes conjuntos sensores y muestra las dos técnicas de calibración básica empleadas: la medida de la frecuencia media de modulación de la luz (mediante el recuento de las franjas de interferencia en un semiperíodo con un contador) y de su anchura espectral, utilizando un analizador de espectro eléctrico. También se estudian otros procedimientos para caracterizar los sensores construidos (curvas de histéresis y respuesta en frecuencia). Los diferentes resultados conseguidos verifican el comportamiento lineal y sin histéresis de los transductores piezoeléctricos, y el comportamiento no lineal y con una histéresis acusada de los transductores magnetostrictivos. Esta tesis también aborda la estabilidad térmica de los sensores, relevante para la aplicación práctica de los sistemas que, al tener que trabajar a la intemperie, estarán sometidos a temperaturas que oscilan entre los 30 y los +70 ºC. Hemos identificado la contribución principal a la dependencia con la temperatura de la modulación de fase, que para tubos como los empleados proviene de la variación del coeficiente piezoeléctrico d31, frente a la que el resto de contribuciones resulta despreciable. Hemos estudiado experimentalmente esta dependencia de la respuesta de nuestros dispositivos de medida con la temperatura. Con una cámara de temperatura hemos medido el comportamiento de sensores montados con cuatro tipos distintos de cerámicas piezoeléctricas, y de los núcleos magnéticos, y lo hemos comparado con las especificaciones aportadas por los fabricantes de esos materiales. Basándonos en estos resultados, proponemos y demostramos experimentalmente un método de compensación pasiva de la dependencia con la temperatura del sensor de voltaje, reduciéndola a una variación del ±1%. El método está basado en la utilización de materiales piezoeléctricos de opuesto coeficiente térmico. Asimismo, desarrollamos una propuesta de medida simultánea de la temperatura para corregir sus efectos en los datos de voltaje. Finalmente, la forma específica de codificación del sensor nos facilita el desarrollo de métodos sencillos de decodificación de la salida del sistema, con el objetivo de poder medir tanto la amplitud de las señales de voltaje y corriente como su forma en función del tiempo. Con los programas informáticos que hemos implementado, demostramos la posibilidad de recuperación en tiempo real de las señales de excitación de los sensores de voltaje, tanto si son perfectamente sinusoidales como si se trata de señales realistas claramente inarmónicas, mientras que la histéresis y no linealidad de los materiales magnetostrictivos dificulta la aplicación de estos métodos al sensor de corriente. __________________________________________________________________________________________________ SUMARY Optical fiber sensors present several advantages over conventional techniques for high voltage and current metering, mainly due to their immunity to electromagnetic interference and easier insulation. This work proposes a frequency-output fiber optic sensor for power systems, based on the linear piezoelectric effect of PZT ceramic tubes (voltage sensor) and the magnetostriction of the cores of traditional commercially available current transformers (current sensor). A long length of single-mode fiber is coiled onto the piezoelectric tubes or the magnetic cores and a Mach-Zehnder interferometer interrogates their deformation when a voltage or current signal, respectively, is applied. The output of the interferometer is a frequency-modulated signal whose spectral bandwidth can be correlated with the voltage or the current amplitude. Since the measurement is obtained from the frequency features of the optical signal, the system is insensitive to light power fluctuations and to some typical shortcomings of fiber-optic interferometric sensors such as phase drift and polarization fading. The thesis first develops the basis of the frequency codified output configuration, and then the implementation of high performance phase modulators, by using efficient piezoelectric and magnetostrictive transducers, is examined. Next, the results concerning two main calibration procedures are shown. These methods involve the average frequency of the optical modulation (related to the number of fringes in the interferometer output) and the measurement of its spectral bandwidth. The vector addition and subtraction of ac electric signals through the optical system has also been demonstrated. The response to temperature of our sensors has been thoroughly studied. The main contribution to the temperature sensitivity of the voltage sensor comes from the temperature coefficient of the piezoelectric constants of the ceramic tubes. The combination of different piezoelectric materials is successfully exploited to passively compensate the temperature response of the sensor. Owing to this compensation, the deviations of the voltage sensors response due to temperature changes are within 1% over the temperature range between 35 and 70 ºC. Finally, the real-time reconstruction of the electric signals is investigated, leading to two techniques that recover the ac voltage signal wavefor

Phase calibration of spatial light modulators by means of Fresnel images

Reliable application of spatial light modulators (SLMs) as programmable diffractive optical elements requires a thorough calibration. In this paper, we propose a method for calibrating SLMs based on the evaluation of Fresnel images. Fresnel images generated by a binary phase diffraction grating consist of binary irradiance distributions whose visibility depends on the phase modulation. By displaying on our device a diffraction grating with a binary phase step along one direction and a linearly increasing phase along the orthogonal direction, we perform a complete phase calibration. In this way, the phase modulation for every pixel and for every value of the entrance signal can be determined experimentally. Additionally, data acquisition can be significantly simplified with this schem

Poincaré-sphere representation of phase-mostly twisted nematic liquid crystal spatial light modulators

We establish necessary conditions in order to design a phase-only wave front modulation system from a liquid crystal display. These conditions determine the dependence of the polarization state of the light emerging from the display on the addressing gray level. The analysis, which is carried out by means of the coherence-matrix formalism, includes the depolarization properties of the device. Two different types of polarization distributions at the output of the liquid crystal cells are found. This approach is applied to a twisted nematic liquid crystal display. In this case, an optimization algorithm must be designed in order to select the input polarization state that leads to the required distributions. We show that the Poincaré-sphere representation provides a convenient framework to design the optimization algorithm as it allows for a reduced number of degrees of freedom. This feature significantly decreases the computation time. Laboratory results are presented for a liquid crystal-onsilicon display showing a phase modulation depth greater than 2π radians with an intensity variation lower than 6%. In addition, a hybrid-ternary modulation (HTM), an operation regime employed in holographic data storage, is achieve

Single-pixel digital holography with phase-encoded illumination

We demonstrate imaging of complex amplitude objects through digital holography with phase-structured illumination and bucket detection. The object is sampled with a set of micro-structured phase patterns implemented onto a liquid-crystal spatial light modulator while a bucket detector sequentially records the irradiance fluctuations corresponding to the interference between object and reference beams. Our reconstruction algorithm retrieves the unknown phase information from the full set of photocurrent measurements. Interestingly, the sampling functions can be codified onto the reference beam, so they can be nonlocal with respect to the object. Finally, we show that the system is well-fitted for transmission of the object information through scattering media

Single-shot color digital holography based on the fractional Talbot effect

We present a method for recording on-axis color digital holograms in a single shot. Our system performs parallel phase-shifting interferometry by using the fractional Talbot effect for every chromatic channel simultaneously. A two-dimensional binary amplitude grating is used to generate Talbot periodic phase distributions in the reference beam. The interference patterns corresponding to the three chromatic channels are captured at once at different axial distances. In this scheme, one-shot recording and digital reconstruction allow for real-time measurement. Computer simulations and experimental results confirm the validity of our method

Free-Motion Beam Propagation Factor Measurement by Means of a Liquid Crystal Spatial Light Modulator

In contrast to the mechanical scanning procedure described in the standard ISO/DIS 11146, the use of electronically tunable focal length lenses has proved its capability for the measurement of the laser beam propagation factor ( ) without moving components. Here, we demonstrate a novel experimental implementation where we use a low-cost programmable liquid crystal spatial light modulator (SLM) for sequentially codifying a set of lenses with different focal lengths. The use of this kind of modulators introduces some benefits such as the possibility for high numerical aperture or local beam control of the phase of the lenses which allows for minimizing systematic errors originated by lens aberrations. The beamwidth, according to the second-order moment of the irradiance, is determined for each focal length by using a digital sensor at a fixed position with respect to the spatial light modulator. After fitting the measured data to the theoretical focusing behavior of a real laser beam, the beam propagation factor is obtained. We successfully validated the results in the laboratory where a full digital control of the measurement procedure without mechanical scanning was demonstrated

Single-shot digital holography by use of the fractional Talbot effect

We present a method for recording in-line single-shot digital holograms based on the fractional Talbot effect. In our system, an image sensor records the interference between the light field scattered by the object and a properly codified parallel reference beam. A simple binary two-dimensional periodic grating is used to codify the reference beam generating a periodic three-step phase distribution over the sensor plane by fractional Talbot effect. This provides a method to perform single-shot phase-shifting interferometry at frame rates only limited by the sensor capabilities. Our technique is well adapted for dynamic wavefront sensing applications. Images of the object are digitally reconstructed from the digital hologram. Both computer simulations and experimental results are presente

Closed-loop adaptive optics with a single element for wavefront sensing and correction

We propose a closed-loop adaptive optical arrangement based on a single spatial light modulator that simultaneously works as a correction unit and as the key element of a wavefront sensor. This is possible by using a liquid crystal on silicon display whose active area is divided into two halves that are respectively programmed for sensing and correction. We analyze the performance of this architecture to implement an adaptive optical system. Results showing a closed-loop operation are reported, as well as a proof of concept for dealing with aberrations comparable to those typically found in human eyes

High-visibility interference fringes with femtosecond laser radiation

We propose and experimentally demonstrate an interferometer for femtosecond pulses with spectral bandwidth about 100 nm. The scheme is based on a Michelson interferometer with a dispersion compensating module. A diffractive lens serves the purpose of equalizing the optical-path-length difference for a wide range of frequencies. In this way, it is possible to register high-contrast interference fringes with micrometric resolution over the whole area of a commercial CCD sensor for broadband femtosecond pulse