Perfiles de luz a la carta
Existe un experimento muy popular para explicar el calor que puede generar la luz del Sol que se basa en concentrar la luz del astro sobre una hoja de papel, preferentemente negra, mediante una lupa. Los rayos del sol que atraviesan toda la superfície de la lupa se concentran en un diminuto disco muy brillante que quema literalmente la superfície del papel. Para que salga bien el experimento es necesario ajustar bien la distancia que separa la lupa del papel, ya que si está demasiado lejos o demasiado cerca de la hoja el punto brillante no es suficientemente intenso para poder quemarla.
El experimento tambien sirve para ilustrar qué hace la lupa, una lente convergente, con los rayos de luz solar que llegan paralelos entre sí a la superficie de la lente. La luz se concentra en un punto a una cierta distancia, la que llamamos distancia focal de la lente. A la distancia focal la intensidad en ese punto es máxima, pero al alejarnos de esa posición la intensidad de la luz disminuye. Si midiésemos la intensidad de luz a diferentes distancias de la lente, siempre situándonos sobre el eje óptico, es decir, sobre la línea perpendicular a la lente que pasa por su centro, y dibujáramos los valores que fuesemos obteniendo en forma de función matemática, el resultado sería parecido al siguiente perfil de intensidad:
En ocasiones puede resultar interesante obtener perfiles de intensidad a lo largo del eje óptico con formas diferentes a la de la figura. En nuestro trabajo hemos propuesto un método para obtener perfiles de intensidad de formas arbitrarias a lo largo del eje óptico de un sistema convergente introduciendo un dispositivo que puede modular tanto la intensidad como la fase de la luz que incide en él. Este dispositivo, un modulador espacial de luz, consiste en una matriz de píxeles a la cual se puede enviar cualquier figura desde el ordenador. De hecho se trata de una de las pantallas de cristal líquido (LCD) que utiliza un video-proyector para proyectar imágenes de video. En la configuración utilizada en nuestro laboratorio, la figura representada en la matriz de píxeles es una función bidimensional en la que los niveles de gris de la imagen generada por el ordenador se traducen en diferentes niveles de fase de la luz.
Un aspecto clave de nuestra investigación ha sido determinar exactamente la figura, la función matemática, que hay que enviar al modulador espacial de luz para obtener un perfil de intensidad determinado a lo largo del eje óptico. Para ello, hemos generado un algoritmo informático iterativo, es decir, un programa que calcula esa función mediante aproximaciones sucesivas. Cada paso de la aproximación da un resultado cada vez más parecido al perfil que se desea obtener, hasta llegar a obtener un perfil de luz lo más parecido posible al perfil deseado.
Hemos comprobado este método para varios perfiles de intensidad. Una vez obtenida la función que hay que implementar en el modulador, es decir, la imagen que hay que enviar a la pantalla LCD, se ha comprobado que el resultado es el esperado con un montaje experimental que utiliza luz láser. Hemos medido los valores de la intensidad de luz a diferentes distancias del sistema óptico, a lo largo del eje, y hemos observado que los perfiles de intensidad corresponden, efectivamente, a los perfiles esperados.
Entre las posibles aplicaciones prácticas de esta investigación se encuentra la posibilidad de incrementar la profundidad de foco de sistemas ópticos. Esto podría ser de utilidad, por ejemplo, para formar imágenes más nítidas sin necesidad de mecanismos de enfoque, como ocurre en las ópticas de las cámaras de los teléfonos móviles. Incrementar la profundidad de enfoque también podría ser útil en el ámbito de las lentes oftálmicas (las utilizadas para mejorar la visión) y en microlitografía de circuitos electrónicos. Además, como el perfil de intensidad se puede modular arbitrariamente, la investigación también permite obtener sistemas multifocales a partir de un sistema óptico convencional con una sola distancia focal, lo cual podría mejorar los sistemas en los que es necesario enfocar con precisión un haz láser, como ocurre en los sistemas de lectura de discos ópticos.
Referencias
"Tailoring the depth of focus for optical imaging systems using a Fourier transform approach". J.A. Davis, C. Tuvey, O. López-Coronado, J. Campos y M. J. Yzuel. Optics Letters 32, 844-846 (2007).
