Estudio y caracterización experimental de nuevas estructuras difractivas

Abstract

Los Elementos Ópticos Difractivos han experimentado un creciente interés en los últimos años debido a sus múltiples aplicaciones en los campos de la microscopía y de las telecomunicaciones, entre otros. Actualmente, también se están desarrollando importantes progresos en el diseño de lentes intraoculares y lentes de contacto basadas en estructuras difractivas. Durante el proceso de realización de esta Tesis Doctoral se ha estudiado en primer lugar el estado del arte relacionado con estos elementos ópticos, prestando especial interés en el diseño y caracterización de lentes difractivas. En su forma más sencilla, estas lentes están formadas por un conjunto de anillos transparentes y opacos distribuidos periódicamente a lo largo de la variable radial cuadrática. Reemplazando esta distribución periódica de anillos por una secuencia aperiódica determinista, se ha conseguido mejorar las prestaciones de las lentes difractivas. Así, por ejemplo, con la secuencia fractal de Cantor se puede obtener una extensión de la profundidad de foco y una reducción de la aberración cromática. Por otro lado, con la secuencia de Fibonacci, se pueden diseñar lentes difractivas bifocales. Combinando estas lentes basadas en geometrías aperiódicas con máscaras de fase helicoidales se han generado nuevas distribuciones de vórtices ópticos susceptibles de ser utilizados como trampas ópticas para atrapar y manipular partículas micrométricas. Tomando todas estas estructuras difractivas como punto de partida en el desarrollo de esta Tesis Doctoral, se ha avanzado en el estudio y caracterización experimental de lentes difractivas basadas en secuencias aperiódicas diferentes a las consideradas previamente. En concreto, se han obtenido nuevas propiedades de focalización y formación de imágenes utilizando las funciones de Walsh y la secuencia m¿bonacci. También se ha abordado el estudio y caracterización experimental de lentes difractivas en el rango de los THz. Se han desarrollado diferentes prototipos mediante impresión 3D que están permitiendo tanto la focalización, como la generación de vórtices de THz.

The Diffractive Optical Elements have experienced a growing interest in recent years due to its multiple applications in the fields of microscopy and telecommunications, among others. Currently, important progress is also being made in the design of intraocular lenses and contact lenses based on diffractive structures. During the process of conducting this Doctoral Thesis, the state of the art related to these optical elements was first studied, paying special attention to the design and characterization of diffractive lenses. In its simplest form, these lenses are formed by a set of transparent and opaque rings distributed periodically along the quadratic radial variable. By replacing this periodic distribution of rings with a deterministic aperiodic sequence, the performance of diffractive lenses has been improved. Thus, for example, with the Cantor fractal sequence an extension of the depth of focus and a reduction of the chromatic aberration can be obtained. On the other hand, with the Fibonacci sequence, bifocal diffractive lenses can be designed. Combining these lenses based on aperiodic geometries with helical phase masks, new distributions of optical vortices have been generated that can be used as optical traps to trap and manipulate micrometric particles. Taking all these diffractive structures as a starting point in the development of this Doctoral Thesis, progress has been made in the study and experimental characterization of diffractive lenses based on aperiodic sequences different from those previously considered. In particular, new focusing and imaging properties have been obtained using the Walsh functions and the m¿bonacci sequence. The study and experimental characterization of diffractive lenses in the THz range has also been addressed. Different prototypes have been developed by means of 3D printing that are allowing both the focusing and the generation of THz vortices.

Els Elements Òptics Difractius han experimentat un creixent interès en els últims anys a causa de les seves múltiples aplicacions en els camps de la microscòpia i de les telecomunicacions, entre altres. Actualment, també s'estan desenvolupant importants progressos en el disseny de lents intraoculars i lents de contacte basades en estructures difractives. Durant el procés de realització d'aquesta Tesi Doctoral s'ha estudiat en primer lloc l'estat de l'art relacionat amb aquests elements òptics, prestant especial interès en el disseny i caracterització de lents difractives. En la seva forma més senzilla, aquestes lents estan formades per un conjunt d'anells transparents i opacs distribuïts periòdicament al llarg de la variable radial quadràtica. Reemplaçant aquesta distribució periòdica d'anells per una seqüència aperiòdica determinista, s'ha aconseguit millorar les prestacions de les lents difractives. Així, per exemple, amb la seqüència fractal de Cantor es pot obtenir una extensió de la profunditat de focus i una reducció de l'aberració cromàtica. D'altra banda, amb la seqüència de Fibonacci, es poden dissenyar lents difractives bifocals. Combinant aquestes lents basades en geometries aperiòdiques amb màscares de fase helicoïdals s'han generat noves distribucions de vòrtex òptics susceptibles de ser utilitzats com trampes òptiques per atrapar i manipular partícules micromètriques. Prenent totes aquestes estructures difractives com a punt de partida en el desenvolupament d'aquesta tesi doctoral, s'ha avançat en l'estudi i caracterització experimental de lents difractives basades en seqüències aperiòdiques diferents a les considerades prèviament. En concret, s'han obtingut noves propietats de focalització i formació d'imatges utilitzant les funcions de Walsh i la seqüència m¿bonacci. També s'ha abordat l'estudi i caracterització experimental de lents difractives en el rang dels THz. S'han desenvolupat diferents prototips mitjançant impressió 3D que estan permetent tant la focalització, com la generació de vòrtex de THz.