Optical beam characterisation via phase-space tomography

En el contexto de haces opticos cuasimonocromaticos y linealmente polarizados, la coherencia es una propiedad que cuantifica la correlacion entre el campo electrico en dos puntos distintos del plano normal a la direccion de propagacion. Los haces coherentes, que exhiben una fuerte correlacion (una relacion de fase constante) para cualquier par de puntos, son un caso limite dentro de la amplia variedad de haces parcialmente coherentes. Los haces parcialmente coherentes mejoran los resultados de muchas aplicaciones que originalmente fueron propuestas para haces coherentes. Por ejemplo, el empleo de haces parcialmente coherentes reduce el specke caracteristico de haces laser en microscopia, incrementando asi la calidad de imagen. En comunicaciones opticas, los haces parcialmente coherentes son mas robustos contra el ruido y aumentan la cantidad de informacion transmitida. A pesar de todas estas ventajas, su uso todavia no esta muy extendido. El principal problema que impide su adopcion a gran escala es la falta de metodos apropiados para su caracterizacion completa. Esto involucra la recuperacion de la intensidad mutua, la funcion que determina la estructura espacial del haz, incluyendo su estado de coherencia.El objetivo de esta tesis es establecer tecnicas eficientes para caracterizar haces parcialmente coherentes. Las tecnicas deben ser adecuadas para su aplicacion en situaciones cotidianas de laboratorio. Nos interesan en particular tecnicas que proporcionen informacion util sobre el estado de coherencia del haz en un tiempo razonable, que no requieran sistemas opticos complicados para ser implementadas y que no hagan suposiciones sobre el estado de coherencia del haz. No obstante, las tecnicas pueden aprovechar las simetrias del haz para simplificar el proceso de caracterizacion, siempre y cuando se provea de un metodo para validar experimentalmente dicha simetria en un haz desconocido.Las mayores contribuciones de esta tesis son los cuatro metodos basados en la tomografia del espacio de fases, y sus sistemas opticos asociados, que proponemos para la caracterizacion de la estructura espacial de haces, incluyendo su estado de coherencia. Tres de las tecnicas se especializan en haces con ciertas simetrias. La cuarta, sin embargo, esta disenada para haces sin ninguna simetria en particular. Ninguno de los metodos propuestos hace suposiciones sobre el estado de coherencia del haz. El trabajo realizado combina el estudio teorico, el desarrollo de algoritmos y sistemas opticos, la simulacion numerica y la realizacion experimental de cada tecnica propuesta.Las tecnicas de tomografia en el espacio de fases propuestas satisfacen ampliamente los objetivos de la tesis. No solo hemos identificado y explotado simetrias de haces que simplifican el proceso de caracterizacion, sino que ademas hemos disenado un metodo novedoso para la caracterizacion de haces generales que es mas eficiente que los metodos establecidos de tomografia en el espacio de fases. Estamos convencidos de que dichas tecnicas permiten la utilizacion de haces parcialmente coherentes en diferentes areas del conocimiento como imagen, comunicaciones opticas, litografia, monitorizacion de la atmosfera y analisis de superficies, entre otras.