空間フィルター

空間フィルターは、フーリエ光学の原理を使用して、光線またはその他の電磁放射、通常コヒーレントレーザー光の構造を変更する光学デバイスです。空間フィルタリングは、一般的にレーザーの出力を「クリーンアップ」するために使用され、不完全な、汚れた、または損傷した光学系、またはレーザー利得媒体自体の変動によるビームの収差を除去します。このフィルタリングは、光共振器から放射される他のモードをブロックしながら、マルチモードレーザーから純粋な横モードを送信するために適用できます。 「フィルタリング」という用語は、元のソースの望ましい構造的特徴がフィルターを通過する一方で、望ましくない特徴がブロックされることを示します。フィルタに続く装置は、実際のソースではなく、ソースの高品質だが低出力の画像を効果的に直接見ます。空間フィルターの使用例は、マイクロラマン分光法の高度なセットアップで見ることができます。

空間フィルタリングでは、レンズを使用してビームの焦点を合わせます。回折のため、完全な平面波ではないビームは単一のスポットに焦点を合わせるのではなく、焦点面に明るい領域と暗い領域のパターンを生成します。たとえば、右の図に示すように、不完全なビームは、一連の同心円状のリングに囲まれた明るいスポットを形成する場合があります。この2次元パターンは、初期ビームの横強度分布の2次元フーリエ変換であることを示すことができます。このコンテキストでは、焦点面はしばしば変換面と呼ばれます。変換パターンの中心にある光は、完全で幅の広い平面波に対応します。他の光はビームの「構造」に対応し、中央スポットからの光は空間周波数がより高い構造に対応します 。非常に細かいディテールを持つパターンは、変換平面の中心点から非常に遠くに光を生成します。上記の例では、大きな中心スポットとそれを囲む光の輪は、ビームが円形の開口部を通過したときに生じる構造によるものです。ビームは開口部によって有限サイズに制限され、リングは開口部のエッジによって作成されたビームの鋭いエッジに関連するため、スポットは拡大されます。このパターンは、発見者のジョージエアリーにちなんでエアリーパターンと呼ばれます。

変換面での光の分布を変更し、別のレンズを使用してコリメートされたビームを再形成することにより、ビームの構造を変更できます。これを行う最も一般的な方法は、ビーム内に不要な構造に対応する光をブロックしながら、所望の光を通過させる開口部をビームに配置することです。特に、中央の明るいスポットのみを通過する小さな円形の開口部または「ピンホール」は、ビームからほぼすべての微細構造を除去し、滑らかな横強度プロファイルを生成します。優れた光学系と非常に小さなピンホールにより、平面波に近づけることさえできます。

実際には、開口部の直径は、レンズの焦点距離、入力ビームの直径と品質、およびその波長に基づいて選択されます（波長が長いほど大きな開口部が必要になります）。穴が小さすぎると、ビーム品質は大幅に向上しますが、出力は大幅に低下します。穴が大きすぎると、ビーム品質が望みどおりに向上しない場合があります。

使用できる開口部のサイズは、光学系のサイズと品質にも依存します。非常に小さなピンホールを使用するには、fナンバーの小さい集束レンズを使用する必要があります。理想的には、レンズがビームに大きな収差を追加しないようにする必要があります。このようなレンズの設計は、F値が小さくなるにつれてますます困難になります。

実際には、最も一般的に使用される構成は、ビームの焦点を合わせるために顕微鏡対物レンズを使用し、厚い金属箔に小さく正確な穴を開けることによって作られた開口部です。そのようなアセンブリは市販されています。

球面波

コリメートされたビームを再形成する2番目のレンズを省略すると、フィルターの開口部は強い点光源に厳密に近似し、球面波面に近似する光を生成します。より小さな開口は、点光源のより近い近似を実現し、より近い球面波面を生成します。