空間濾波器

空間濾波器是一種光學裝置，其利用傅立葉光學原理來改變光束或其他電磁輻射（通常是同調雷射光）的結構。空間濾波常用於「清理」雷射的輸出，去除因光學元件不完美、髒污、損壞，或因雷射增益介質本身變化所造成的光束像差。這種濾波可用於從多模雷射中傳輸純淨的橫向模態，同時阻擋從光學共振腔發出的其他模態。「濾波」一詞表示 原始光源中理想的結構特徵會通過濾波器，而不理想的特徵則被阻擋。 位於濾波器之後的儀器，實際上看到的是一個品質較高但功率較低的光源影像，而非直接看到實際光源。空間濾波器的應用範例可見於先進的微拉曼光譜儀裝置中。

在空間濾波中，會使用透鏡來聚焦光束。由於繞射的關係，非完美平面波的光束不會聚焦成單一點，而會在焦平面上產生明暗相間的圖案。例如，不完美的光束可能會形成一個被一系列同心圓環所包圍的亮點，如右圖所示。可以證明，這種二維圖案是初始光束橫向強度分佈的二維傅立葉轉換。在此情況下，焦平面通常被稱為轉換平面。轉換圖案最中心的光對應於完美的寬廣平面波。其他光則對應於光束中的「結構」，離中心點越遠的光，對應的空間頻率越高。具有非常精細細節的圖案，會在轉換平面上產生遠離中心點的光。在上述範例中，大的中心亮點及其周圍的光環，是光束通過圓孔時所產生的結構。由於光束被光圈限制為有限尺寸，因此光點會變大，而光環則與光圈邊緣所產生的光束銳利邊緣有關。這種圖案以其發現者喬治·艾里為名，稱為艾里斑。

透過改變轉換平面上的光分佈，並使用另一透鏡重新形成準直光束，便可以改變光束的結構。最常見的做法是在光束中放置一個光圈，讓理想的光通過，同時阻擋對應於光束中不理想結構的光。特別是，使用一個只讓中心亮點通過的小圓孔或「針孔」，可以去除光束中幾乎所有的精細結構，產生平滑的橫向強度分佈，這可能是一個近乎完美的高斯光束。使用良好的光學元件和非常小的針孔，甚至可以近似於平面波。

在實務上，光圈的直徑是根據透鏡的焦距、輸入光束的直徑和品質及其波長來選擇的（波長越長，需要的光圈越大）。如果孔太小，光束品質會大幅提升，但功率會大幅降低。如果孔太大，光束品質的改善可能不如預期。

可用光圈的大小也取決於光學元件的尺寸和品質。要使用非常小的針孔，必須使用低f值的聚焦透鏡，且理想情況下，該透鏡不應為光束帶來顯著的像差。隨著f值的降低，這種透鏡的設計會變得越來越困難。

在實務上，最常用的配置是使用顯微鏡物鏡來聚焦光束，並使用在厚金屬箔片上打出一個精確小孔製成的光圈。這類組件在市面上有售。

球面波

若省略用來重新形成準直光束的第二個透鏡，濾波器的光圈會非常近似於一個強烈的點光源，從而產生近似球面波前的光。較小的光圈能更接近點光源的近似，進而產生更接近球面的波前。

參見

• 科勒照明，將空間濾波應用於顯微鏡的非同調光
• 針孔相機