Les filtres spatiaux offrent une manière pratique d’éliminer les fluctuations aléatoires du profil d’intensité d’un faisceau laser. Ils améliorent grandement la résolution, ce qui est particulièrement important pour les applications comme l’holographie et le traitement de signaux optiques.
Les variations d’intensité des faisceaux laser sont dues à la diffusion occasionnée par les défauts des composants optiques et par les particules en suspension dans l’air. Vous pouvez les visualiser en projetant le faisceau laser agrandi : les volutes, les trous et les anneaux superposés au motif idéal du "speckle" représentent le bruit spatial.
Le principe du filtrage spatial est simple : un faisceau laser idéal, cohérent et collimaté se comporte comme s’il était généré par un point-source lointain. Le filtrage spatial consiste à focaliser le faisceau pour produire une image de la “source” en défocalisant toutes les imperfections suivant un anneau autour de l’axe. Un microtrou permet donc de bloquer l'essentiel du bruit.
Le profil gaussien idéal du faisceau laser I(r) est contaminé par des fluctuations d’intensité dI provoquées par la diffusion. dI varie rapidement sur une distance moyenne dn, beaucoup plus petite que le rayon a du faisceau. La distance dn est appelée longueur d’onde spatiale moyenne du bruit du faisceau laser.
Lorsqu’un faisceau gaussien est focalisé par une lentille convergente de longueur focale F, l’image dans le plan focal (ou spectre de puissance optique [OPS : Optical Power Spectrum]) est une “carte” inversée des longueurs d’onde spatiales présentes dans le faisceau. Le bruit à longueur d’onde courte (dn) apparaît dans un anneau de rayon Fl/dn centré sur l’axe optique. Les grandes longueurs d’onde spatiales d’un profil gaussien idéal forment une image directement sur l’axe optique.
Un microtrou centré sur l’axe peut bloquer l’anneau du bruit indésirable tout en laissant passer la plus grande partie de l’énergie du laser. La fraction de puissance que laisse passer un microtrou de diamètre D est :
et la longueur d’onde de bruit minimale transmise par ce microtrou est :
Nous recommandons un microtrou de diamètre Dopt :
Cette valeur permet de laisser passer 99,3 % de l’énergie totale du faisceau et d’arrêter les longueurs d’onde spatiales inférieures à 2a, le diamètre du faisceau initial. dn étant toujours beaucoup plus petit que le diamètre du faisceau, le faisceau filtré est très proche du profil idéal.
Pour faciliter votre choix, les combinaisons optimales de microtrous et d’objectifs sont consignées dans un tableau dans les guides de sélection, voir Montage pour filtrage spatial 3 axes et Montages pour filtrage spatial 5 axes.
