Análise de coerência de feixes laser com óptica difractiva e difusão dinâmica

Abstract

Esta tese descreve várias experiências destinadas a caracterizar a coerência espacial e temporal de segunda ordem de fontes laser estatisticamente estacionárias. Propomos uma nova técnica holográfica para analisar um feixe laser como uma sobreposição de modos espacialmente coerentes, baseada na correlação das componentes do campo numa base arbitrária. Um modulador espacial de luz é utilizado para gerar pares de funções daquela base, com fases relativas variáveis, permitindo a medição da interferência das componentes do campo. A inversão da matriz de correlação resultante fornece os perfis transversos e a distribuição de potências dos modos espacialmente coerentes. Analisámos um feixe de He-Ne em termos de uma base de funções Hermite- Gauss desajustadas aos modos de cavidade esperados. Os modos coerentes determinados ajustaram-se bem aos modos de cavidade previstos, com o raio de feixe e as orientações nodais correctos, incluindo um modo híbrido associado a modos transversos degenerados em frequência, em acordo com a teoria de cavidades. Os perfis transversos de intensidade, tanto no campo próximo como no campo distante, são consistentes com a análise. O modulador espacial de luz consiste num painel de cristais líquidos do tipo twisted-nematic, cuja curva de modulação foi calibrada in-situ, através duma técnica inovadora baseada num interferómetro de shearing. Identificaram-se modos de operação quase-amplitude e quase-fase, em dois comprimentos de onda diferentes. Também propomos utilizar a difusão dinâmica de luz como uma ferramenta de análise de coerência. A amplitude dinâmica da função autocorrelação de intensidade difundida depende da coerência dentro do volume difusor. Medimos o módulo do grau de coerência temporal dum laser de iões de Árgon, cujo feixe foi dividido em dois feixes incidentes numa solução de partículas difusoras, com atraso óptico relativo variável. Os resultados estão em bom acordo quer com o modelo de coerência do laser quer com as medições obtidas com um interferómetro de Michelson. O método é ainda adequado para a medição do factor de coerência transversa global dum feixe laser.

This dissertation describes a series of experiments designed to characterize both the spatial and temporal second order coherence of statistically stationary laser beams. We propose a new holographic technique to characterize an arbitrary laser beam as a superposition of spatially coherent modes, based on the correlation of field components in an arbitrary base. A spatial light modulator is used to produce pairs of base functions with variable relative phase allowing the interference of field components to be measured. The inversion of the resulting correlation matrix gives the coherent mode profiles and associated power distribution. We analyzed a He-Ne laser beam using a set of Hermite-Gaussian base functions mismatched to the anticipated cavity modes. The determined coherent modes were a good fit to the expected Hermite-Gaussian cavity modes, with the expected spot-size and orientation, including a hybrid associated with frequency degeneracy in accordance with cavity theory. Near and far-field transverse intensity profiles were consistent with the analysis. The spatial light modulator was a twisted nematic liquid crystal panel whose modulation curve was calibrated in-situ using a novel shearing interferometer. Mostly-amplitude and mostly-phase operation modes were identified for two distinct wavelengths. We also propose using dynamic light scattering as a tool for coherence analysis. The dynamic amplitude of the intensity autocorrelation function gives a measure of the coherence within the scattering volume. We measured the modulus of the degree of temporal coherence of an Argon ion laser by dividing it into two beams with variable relative delay before incidence in a particle suspension. Good agreement was found both with theory and the results obtained using the more conventional Michelson interferometer technique. The method is also suitable for measuring the global degree of spatial coherence of a laser beam.