Análisis & detección de objetos transparentes

Fecha: 31 de Diciembre de 2021

Cuando vemos un objeto es porque la luz se refleja sobre su superficie y llega hasta nuestros ojos, pero ¿cómo se puede lograr ver algo que es transparente a la luz y no puede reflejar la luz? En la ciencia de la óptica, se ha logrado conocer y manipular el fenómeno de interferencia para lograr ver lo que no es visible. En particular, el interferómetro -que es un dispositivo óptico fundamentado en el fenómeno de interferencia- produce usualmente patrones de franjas a partir de la interferencia que indican la trayectoria óptica por la que la luz ha viajado. El interferómetro más popular para analizar y detectar materiales transparentes es el de contraste de fase inventado por Zernike, quien obtuvo el premio Nobel de física en 1953. Sin embargo, en esa fecha los láseres aún no eran populares y su utilización en interferometría para medir la trayectoria óptica de la luz ó el contraste de fase se comenzó a desarrollar paulatinamente.

Desde entonces se han desarrollado varios tipos de interferómetros para medir el contraste de fase. En las últimas décadas ha surgido el interés por la tecnología de vórtices ópticos y su incorporación a la interferometría para mediciones de contraste de fase. Esto podría ser una alternativa interesante para investigar en el CIO.

Hay dos tipos de fase que normalmente se distinguen en interferometría, las fases débiles que son mucho menor a 2π y fases que superan este valor y que por su naturaleza resultan envueltas por la periodicidad de las funciones seno o coseno.

El contraste de fase de Zernike resulta útil cuando se analizan objetos transparentes que contienen fases débiles, y los filtros ópticos diseñados por Zernike convierten la fase débil directamente a valores de intensidad (sin necesidad de computadoras o cálculos con desplazamiento de fases). De la misma forma, cuando se utiliza luz láser se puede también medir la fase débil, pero se requiere de la utilización de computadoras, cámaras e interferómetros que permitan introducir desplazamientos de fase.

En este último caso, se tienen también otras posibilidades: se puede detectar fases débiles si el objeto bajo análisis es delgado y por lo tanto el cambio de fase es débil (desenvuelta), o debido a la longitud de coherencia de la luz láser se pueden también detectar fases envueltas.

Por otra parte, entre los interferómetros más utilizados, hay algunos que no tienen caminos ópticos comunes como el Michelson ó el Mach— Zehnder que son afectados fácilmente por las turbulencias atmosféricas y requieren mesas antivibratorias para su implementación.

En contraste, los interferómetros de camino común permiten liberarse hasta cierto punto de los problemas de turbulencia y mesas especiales. Uno de los interferómetros de camino común más exitoso es el interferómetro de difracción de un punto (PDI), por sus siglas del inglés “point diffraction interferometer” y se ha utilizado para mediciones de fase. Tomando como base este interferómetro, en el CIO se le ha incorporado un vórtice óptico que puede ser discreto o continuo y también se ha creado un interferómetro novedoso que no había sido reportado anteriormente. Este resultó en una patente CIO 343055 por el autor y el doctor José Alberto Aguilar Mora.

La Fig. 1 muestra la configuración propuesta en la patente:

Figura1: Interferómetro PDI con un vórtice discreto: (100) Frente de onda incidente; (110) Abertura de entrada; (120 y 300) Lentes; (220) Vórtice de fase y amplitud discreto; (i) Frente de onda difractado por una abertura puntual; (j) Frente de onda transmitido y atenuado por el vórtice de fase; (400) Plano detector de intensidad (cámara).

El aparato propuesto resuelve de manera novedosa el análisis y detección de objetos transparentes y proporciona la cuantificación de la diferencia en la trayectoria óptica a través de un objeto transparente e invisible a simple vista pero que produce cambios en la trayectoria de la luz mostrados esquemáticamente en la Fig. 1 (100). Utilizando el procesamiento de los interferogramas obtenidos por el aparato en el plano detector [Fig. 1(400)] es posible analizar y detectar objetos transparentes, así como también utilizarlo en otras aplicaciones de la óptica para la detección de la forma de elementos ópticos tales como espejos, lentes etc. A diferencia de otros interferómetros, este aparato posee un filtro mixto [Fig. 1 (200)], en donde el filtro es de tipo vórtice y su amplitud es la correspondiente al interferómetro de difracción de un punto. El filtro mixto realiza por lo tanto un proceso de filtrado óptico en el que se genera un haz de referencia [Fig. 1 (i)] con el que se obtiene uno o varios interferogramas que al ser procesados permiten analizar la trayectoria óptica a través de un objeto iluminado con luz coherente.

Los interferogramas del interferómetro propuesto difieren de los convencionales al producir franjas espirales como se muestra en la Fig. 2(a) en donde a diferencia de los interferogramas convencionales la dirección de la espiral indica si la fase es positiva o negativa, que se puede apreciar en la Fig. 2(b).

Figura 2: (a) Interferogramas típicos de franjas espirales que cambian de dirección con el signo de la fase y (b) fase del patrón de franjas espirales.

Los métodos de extracción de fase se aplican de la misma forma en la cuantificación de este tipo de franjas espirales, con la variante que se puede efectuar el desplazamiento de fase solo rotando el filtro de vórtice. La Fig. 3(a) muestra el interferograma de un objeto transparente y binario para una de las cuatro rotaciones del filtro, y la Fig. 3(b) muestra su forma calculada después de extraer la fase.

Figura3: (a) Interferograma de un objeto binario de fase con las letras A,b,c, utilizando un vórtice de fase a cero grados, y (b) forma del objeto transparente a partir de 4 interferogramas.

La utilidad de esta tecnología ha sido demostrada por la cantidad de usuarios que actualmente poseen microscopios para analizar y detectar muestras biológicas transparentes (sin recurrir al teñido de las muestras). El interferómetro propuesto resuelve la detección y análisis de materiales transparentes aun cuando los objetos a analizar tengan un espesor mucho mayor que el detectado en el microscopio de Zernike. Aunque la implementación física del interferómetro no se ha logrado efectuar hasta la fecha, la patente obtenida asegura la tecnología implementada para su aplicación por parte del CIO en la medición de objetos de fase y resultaría en la protección legal de cualquier empresa que inicie la comercialización de este nuevo tipo de tecnología.