Dado que un haz colimado siempre está enfocado, ¿no puedo simplemente emitir un haz colimado sobre las diferentes distancias a medida que se mueve el objeto de destino?

Estoy diseñando un interferómetro para un experimento. La configuración consta de (1) la fuente láser, (2) el propio interferómetro (que consta de componentes ópticos y fotodetectores) y (3) el objeto de destino. Una vez que la fuente láser emite en la configuración del interferómetro, primero encuentra un filtro espacial. Este filtro espacial convierte el haz de baja calidad y rápidamente divergente del diodo láser en un haz colimado de alta calidad. Una vez que el haz sale del filtro espacial, entra en un divisor de haz. Este divisor de haz permite que parte del haz se emita en el objetivo y que parte del haz penetre más profundamente en la configuración del interferómetro. El interferómetro entonces depende de la luz reflejada en el interferómetro desde el objeto objetivo.

  1. Luz que se emite en el objeto de destino:

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  1. La luz se refleja desde el objeto de destino de vuelta al interferómetro:

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He visto configuraciones de interferómetro que tienen una lente asférica en la apertura del sistema de interferómetro. La lente asférica parece estar orientada de modo que la luz que sale (se emite desde) el interferómetro se enfoca, y la luz que entra (se refleja de nuevo en) el interferómetro se colima. Esto se ilustra en estos diagramas:

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(De https://en.wikipedia.org/wiki/Interferometry#Biology_and_medicine )

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(De https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ay/c9ay00369j/unauth )

  1. Luz emitida en el objeto de destino (ahora incluye una lente asférica):

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  1. La luz que se refleja desde el objeto de destino vuelve al interferómetro (que ahora incluye una lente asférica):

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Sin embargo, el problema es que la distancia de mi objeto objetivo, desde la apertura del interferómetro hasta el objeto objetivo, varía entre 10 y 100 cm. Esto significa que, si la óptica en la apertura del interferómetro le da al haz emitido un foco fijo, como lo haría una lente asférica, el haz estaría desenfocado cuando incidiera sobre el objeto objetivo. Y, entonces, esto disminuiría el rendimiento de mi interferómetro. Por lo tanto, no quiero ópticas en la apertura del interferómetro que den como resultado un enfoque fijo (como una lente asférica), ya que eso no enfocaría correctamente el haz para un objetivo de distancia variable.

Pero tuve una idea para evitar esto. Como estoy usando un filtro espacial con lentes asféricas (ver diapositivas 13/14 aquí) inmediatamente después de la fuente láser para colimar el haz y lograr un estado de alta calidad, y dado que un haz colimado está, según tengo entendido, siempre enfocado, ¿no puedo simplemente emitir el haz colimado sobre los diferentes distancias a medida que el objeto objetivo se mueve (como se muestra en los dos primeros diagramas), en lugar de tener la óptica de foco fijo (la lente asférica) en la apertura del interferómetro (como se muestra en los dos últimos diagramas)? Me parece que, siempre que el haz esté relativamente bien colimado (que debería ser del filtro espacial), y siempre que la distancia no sea demasiado grande (que, para 10-100 cm, no debería be), esto significaría que el haz estará relativamente bien enfocado cuando incide sobre el objeto objetivo.

Esta pregunta está relacionada con esta pregunta.

Buena fuente de información sobre temas ópticos - RP Photonics Encyclopedia
Tenga en cuenta que su primer ejemplo es de un sistema OCT y utiliza una fuente no coherente. Si su rango es de 10 cm a 100 cm, es posible que esté mejor con un sistema de imágenes 3D de 2 cámaras. El sistema OCT no es simple. requiere transformadas de Fourier de los datos del detector.
@PhysicsDave, ¿qué quiere decir con un "sistema de imágenes 3D de 2 cámaras"? No estoy haciendo OCT, solo era un diagrama de ejemplo.
simplemente busque en Google "escáner 3D de 2 cámaras"... es un gran negocio para la industria de las impresoras 3D. Usted es nuevo en cámaras y sensores y espectrómetros e interferómetros y sistemas de tiempo de vuelo y escáneres 3D y todos los demás maravillosos sistemas ópticos... es una mezcla real con cada sistema cuidadosamente adaptado a la aplicación y cada sistema muy limitado a su aplicación.
@PhysicsDave Hmm, pero ¿qué tiene esto que ver con mi pregunta?
"Sin embargo, el problema es que la distancia de mi objeto objetivo varía entre 10 y 100 cm", ¿supongo que su objeto varía en tamaño en 90 cm? Esto suena como una oportunidad de escáner 3D, no para un interferómetro.
@PhysicsDave Seré más específico: el objeto en sí es estacionario, pero su estructura no es uniforme, por lo que algunos puntos estarán cerca del interferómetro (10 cm) y otros estarán más lejos (100 cm). Pero esta aplicación requiere interferometría para realizar pruebas estructurales, por lo que no entiendo de dónde provienen las cámaras.
Bien, entonces la estructura se deformará ligeramente, como micrómetros, ¿y quieres detectar eso? ¿Y desea escanear muchos puntos en la estructura?
@PhysicsDave Sí, así es, pero solo quiero escanear un punto a la vez. Es un experimento típico de prueba estructural de interferometría, lo que se conoce como vibrometría.
@PhysicsDave Entonces, el punto es que, si tuviera una lente asférica en la apertura del interferómetro, el enfoque sería fijo (según la distancia focal de la lente), lo que significa que, a medida que apunto diferentes puntos en el objeto, el punto al que me dirijo rápidamente dejará de estar enfocado. Por otro lado, tener una lente asférica en la apertura del interferómetro, según tengo entendido, hará que la luz reflejada por el objeto se colime (debido a su geometría biconvexa) cuando ingresa al interferómetro, pero no estoy Estoy seguro de lo necesario/beneficioso que es esto. [...]
[...] Esto me lleva a mi pregunta sobre si puedo simplemente prescindir de la lente asférica en la apertura del interferómetro y simplemente emitir el haz colimado desde el divisor de haz. Según tengo entendido, un haz colimado siempre está enfocado, por lo que, aunque no puedo enfocarlo en un punto pequeño en la superficie del objeto, me pregunto si todavía podría estar bien (aunque, como dije, yo creo que pierdo el beneficio de tener colimada la luz reflejada del objeto objetivo cuando ingresa al interferómetro); y en eso giran mis preguntas.
En mi opinión, lo que está tratando de hacer es interferometría de superficie (?) Y hay muchos sistemas costosos que hacen esto. Un sistema DYI debería ser posible pero aún no simple.
@PhysicsDave Sí, es solo un interferómetro. Ver esto en.wikipedia.org/wiki/Laser_Doppler_vibrometer
nist.gov/image/interferometer-compositejpg este es un ejemplo de un interferómetro simple... sin lentes. Si usa un láser de 1 um y si su objeto se desplaza 100 um, entonces necesita poder procesar los datos para contar cuántas veces se repitió la interferencia... por eso los sistemas son caros.
el enlace es láser doppler ... ¿entonces está dando velocidad, no solo desplazamiento? ¿Esto es lo que necesitas?
@PhysicsDave Sí, estoy al tanto de todo esto, pero esto está separado de mi pregunta específica aquí.
@ThePointer Eliminé mi respuesta porque ahora me doy cuenta de que esto es más una "revisión de diseño" que una sola pregunta de Physics SE sobre óptica. Le recomiendo que elimine todas las demás imágenes y, en su lugar, solo dibuje un diagrama simple de exactamente lo que es necesario para su pregunta. ¡Gracias!
@uhoh, haré eso. ¡Gracias!
Hola @uhoh. Edité mi pregunta y realicé mejoras, incluidas mejoras en los diagramas. El último párrafo contiene mi pregunta.
¿Dónde está el detector en su configuración? no lo veo ¿Y qué tipo de detector es?
Creo que tu pregunta podría estar mal definida. No puedo entender lo que estás tratando de hacer. Usted menciona la vibrometría, nunca escuché sobre eso, pero 60 segundos de investigación de Google me sugieren que su configuración no está a la altura. pero puedo estar equivocado.
@garyp El detector es irrelevante para esta pregunta. No estoy tratando de ser grosero (recuerdo que me ha ayudado a responder algunas de mis preguntas en el pasado, y definitivamente está muy bien informado (mucho más que yo) en lo que respecta a la óptica/fotónica), pero, dado lo que has dicho aquí, me parece que esto podría estar fuera de tu área de conocimiento.
Bueno, en mis más de 40 años como físico involucrado en óptica, he usado y construido un puñado de interferómetros (incluido un sistema OCT). Creo que simplemente no entiendo lo que estás tratando de hacer,
@garyp En ese caso, debo ser yo. Es difícil redactar un comentario en Internet para que no suene grosero (no importa cómo lo lea, suena arrogante y grosero), así que me disculpo por eso. Trataré de aclarar.
@garyp Como dijiste, este es un experimento de vibrometría. El "objeto objetivo" es una estructura, como un muro/losa de concreto, una estatua, algún artefacto, etc. En tal situación, queremos realizar interferometría (vibrometría) en diferentes puntos de la estructura. Pero no podemos mover el objeto objetivo, y tampoco podemos movernos constantemente alrededor del propio interferómetro para que el haz esté siempre enfocado en el punto de incidencia con el objeto objetivo (suponiendo un foco fijo). [...]
[...] Entonces, a medida que escaneamos el haz del interferómetro sobre la estructura (digamos, escaneando puntos más altos que el nivel en el que se encuentra el dispositivo del interferómetro), la distancia entre el interferómetro y el objeto objetivo (en el punto en que nuestro haz incide ) en realidad está cambiando (en este ejemplo, aumentando). Esto lleva al problema que mencioné en mi pregunta: construir un interferómetro con un foco fijo significará que nuestro haz incidente emitido estará fuera de foco en el objeto. Y esto lleva a mi pregunta en el último párrafo. ¿Eso aclara las cosas?

Respuestas (1)

Si entiendo su pregunta, podría usar un haz colimado que sale del interferómetro. Sin embargo, no indica claramente cuál es la "apertura" del interferómetro. Supongo que te refieres al brazo que sale del cubo divisor de haz a las 3 en punto, esto se conoce comúnmente como el "brazo de prueba". Pero, si usa un haz colimado, hay muchos problemas que pueden impedir que el interferómetro haga lo que usted quiere que haga. Si la región objetivo donde incide el haz del brazo de prueba tiene múltiples regiones que difieren en altura en varias longitudes de onda, entonces la señal de regreso al interferómetro consistirá no solo en uno, sino en varios frentes de onda. Estos múltiples frentes de onda pueden (es decir, probablemente) interferir de forma constructiva o destructiva. Esto significa que obtendrá un resultado mixto para la señal de interferencia.

Si la región objetivo donde incide el haz del brazo de prueba tiene múltiples regiones que difieren en ángulo, los haces de retorno se dispersarán angularmente volviendo al interferómetro. Es posible que no pasen por el interferómetro o que no lleguen al detector.

Si su fuente tiene una coherencia temporal muy baja, tendrá que mover el brazo de referencia en z para mantener la interferencia entre los brazos de prueba y de referencia. Esto es lo que hacen la mayoría de las configuraciones de OCT. En general, cualquier dispositivo de medición interferométrica (ya sea OCT o no) es un compromiso entre resolución y rango. Recomendaría buscar en la literatura para encontrar cómo las personas configuraron los sistemas que midieron el rango que desea.

Gracias por la respuesta. He clasificado la "apertura del interferómetro" como el agujero/brecha/abertura (a las 6 en punto) por la que sale el haz para golpear el objeto objetivo y luego vuelve a entrar. Lo siento por cualquier confusión. ¿Cambia esto tu respuesta?
Y, para ser claros, el "brazo de prueba" (la parte del haz que sale del divisor de haz a las 3 en punto) se adentra más en el interferómetro y solo encuentra elementos ópticos y fotodetectores, por lo que esas superficies son uniformes. Sin embargo, la superficie del objetivo no sería completamente uniforme en términos de diferencias de altura en varias longitudes de onda; por ejemplo, no es un espejo. [...]
[...] Pero, aun así, los interferómetros a menudo se usan para pruebas a distancia de materiales/estructuras no uniformes, como en las pruebas no destructivas, donde algo como el concreto sería altamente no uniforme según nuestra métrica de diferencias en altura por varias longitudes de onda, por lo que no estoy seguro de cuánto de un obstáculo sería en la práctica.
Tu nomenclatura aún no me queda clara. Considere el divisor de haz como el centro del interferómetro. La salida de las 12 en punto es el brazo de referencia. Las 3 en punto es el brazo de prueba. La dirección de las 6 en punto desde el divisor de haz es el brazo detector.
Un vibrómetro (interferómetro láser utilizado para medir la vibración) como la serie OFV de Polytec, enfoca la luz en un punto. Entonces, por ejemplo, el dispositivo de gama media tiene un punto de 25 micras a una distancia de trabajo de 200 mm. La hoja de especificaciones no lo dice explícitamente, pero sospecho que para un tamaño de punto dado, el sistema solo puede tolerar una rugosidad de superficie establecida.
Sí, el brazo del detector (el haz de las 6 en punto) es el que clasifico como que sale de la "apertura del interferómetro", siendo la apertura la abertura/brecha.
¿A qué figura te refieres? En los dibujos que ha hecho el OP, la posición de las 3 en punto es el brazo de referencia.
@garyp Sí, después de revisar algunas notas, entiendo que el brazo de referencia es el camino óptico que toma la luz después de la superficie de división principal hasta que interfiere con la luz del brazo de medición, mientras que el brazo de medición es el camino óptico del luz después de la superficie de división principal que viaja hacia y desde el objetivo de medición antes de interferir con la luz del brazo de referencia, por lo que el haz a las 3 en punto sería el brazo de referencia.
Dado que un haz colimado siempre está enfocado, ¿no puedo simplemente emitir un haz colimado sobre las diferentes distancias a medida que se mueve el objeto de destino?
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