ES2543741T3 - Sistema de emisión de una luz policromática, dotada de subcavidades acopladas - Google Patents

Abstract

Sistema para emitir una luz policromática, que comprende una cavidad láser (3), medios (1) para bombear ópticamente la cavidad láser (3), siendo capaz dicha cavidad láser de emitir una radiación de acuerdo con al menos una longitud de onda de excitación, y unos medios de guiado de luz (7) dispuestos, en el caso de excitación por dicha radiación en un régimen de interacción no lineal, para suministrar a una salida (5) una luz policromática, caracterizado por que los medios de guiado (7) se disponen en el interior de una cavidad formada por al menos dos subcavidades (3, 4), entre las cuales una primera subcavidad (3) forma dicha cavidad láser (3) y una segunda subcavidad (4) comprende dichos medios de guiado (7), estando dichas primera (3) y segunda (4) subcavidades acopladas interferométricamente.

Description

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27-07-2015

DESCRIPCIÓN

Sistema de emisión de una luz policromática, dotada de subcavidades acopladas.

5 CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere a la generación de una luz policromática de espectro continuo.

Más particularmente, se refiere a un sistema para emitir una luz policromática, que comprende una cavidad láser,

10 medios de bombeo óptico de esta cavidad láser capaces de emitir radiación de acuerdo con al menos una longitud de onda de excitación, así como medios de guiado de luz dispuestos de tal manera que suministren una luz policromática a una salida en el caso de excitación por esta radiación, en un modo de interacción no lineal.

15 ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Se conoce un sistema de este tipo en el documento de patente FR 2867574, que describe un dispositivo para generar una luz policromática, que comprende medios de bombeo óptico capaces de suministrar radiación de al menos dos longitudes de onda de excitación diferentes, así como medios de guiado de luz dispuestos de tal manera

20 que suministren una luz policromática a una salida en el caso de excitación por la radiación en un modo de excitación no lineal. A este respecto, los medios de guiado comprenden un medio no lineal que permite implementar una pluralidad de conversiones de frecuencia. Los medios de bombeo óptico comprenden una cavidad láser. Por lo tanto, los medios de guiado permiten una importante extensión del espectro de la luz oscilante en la cavidad láser.

25 El documento de patente FR 2 884 623 describe un dispositivo de generación de una luz policromática, que comprende medios de bombeo óptico, medios de guiado de luz y medios de inyección selectiva. Los medios de bombeo son capaces de suministrar una primera radiación de una primera longitud de onda. Los medios de inyección selectiva hacen posible inyectar la primera radiación procedente de los medios de bombeo en los medios de guiado, estando dispuestos los últimos para generar un armónico correspondiente a la inyección selectiva y para

30 suministrar una luz policromática a una salida por excitación no lineal procedente de esta primera radiación y de este armónico. Los medios de guiado comprenden, por ejemplo, una fibra óptica microestructurada y son sustancialmente de tipo mono-modo para la primera radiación y sustancialmente de tipo multimodo para el armónico.

Estos dispositivos de la técnica anterior constituyen, por lo tanto, fuentes de continuo en base a un bombeo

35 extracavidad de una fibra no línea. Sin embargo, no permiten alcanzar una emisión láser de amplio espectro que muestre una estabilidad temporal y espectral suficiente (o fluctuación), lo que hace inutilizable la radiación producida para un cierto número de aplicaciones.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

40 Por consiguiente, el objetivo de la presente invención es conseguir una luz de banda ancha con baja fluctuación temporal y espectral, al mismo tiempo que presenta características de sencillez, estabilidad y hacinamiento satisfactorias.

45 A este respecto, la presente invención es del tipo que se ha descrito anteriormente y muestra la característica de tener sus medios de guiado dispuestos dentro de una cavidad formada por al menos dos subcavidades, entras cuales una primera subcavidad forma la cavidad láser y una segunda subcavidad comprende los medios de guiado, estando estas primera y segunda subcavidades acopladas juntas.

50 Esta solución permite disociar y disponer en casada, por un lado, la formación de una luz láser monocromática o casi monocromática, procedente de la cavidad láser bombeada y, por otro lado, la expansión de su espectro gracias al uso del miembro no lineal constituido por los medios de guiado de luz. Los problemas de fluctuación temporal se resuelven introduciendo un sistema optoelectrónico activo de accionamiento sin fluctuación en esta misma cavidad. La luz generada de este modo también puede ser una luz de alta energía mediante la disposición en cascada de al

55 menos un medio de ganancia. Además, formando la cavidad láser una primera subcavidad acoplada a una segunda subcavidad que comprende el miembro no lineal, el resultado es un conjunto que se integra dentro de un único resonador, promoviendo un dispositivo compacto y sencillo.

El enfoque que ha conducido a esta solución consistía en disociar parcialmente la formación del pulso

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monocromático y el ensanchamiento espectral. El fin fue evitar que los miembros no lineales en el origen de la expansión espectral interrumpieran la formación del pulso fuente monocromático. Para conseguir esto, la formación de un pulso de bomba monocromático en una primera subcavidad corta se aisló parcialmente y la extensión espectral se confinó en otra subcavidad. Después, estas dos cavidades se acoplan parcialmente por medio de un

5 espejo común. La primera subcavidad es subcentrimétrica para generar un pulso monocromático corto. La segunda cavidad activa la primera y tiene una mayor longitud para tener la capacidad de iniciar un efecto láser dentro de la primera cavidad corta.

Preferiblemente, los medios de guiado comprenden una guía de luz. En este caso, la guía de luz puede 10 proporcionarse de tal forma que esté integrada en un sustrato óptico.

Preferiblemente, estos medios de guiado comprenden una fibra óptica de dimensiones seleccionadas. En este caso, la fibra óptica puede proporcionarse de tal forma que sea microestructurada.

15 Ventajosamente, cada una de las dos subcavidades comprende en sus extremos un medio de reflexión parcial de luz. A este respecto, una variante particularmente ventajosa consistirá en usar espejos de Bragg como medios de reflexión parcial de luz.

De acuerdo con una realización específica, el acoplamiento de dos subcavidades se consigue disponiendo un medio 20 de reflexión parcial común con respecto a dichas dos subcavidades.

Preferiblemente, la primera subcavidad comprende un medio de ganancia para amplificar la luz emitida por los medios de bombeo de esta subcavidad, sin embargo, sin alcanzar el umbral de emisión láser de la cavidad.

25 De acuerdo con una realización específica que tiene por objeto generar pulsos de luz de banda ancha, la primera subcavidad se proporciona de tal forma que comprenda medios para generar un pulso corto.

En este último caso, los medios para generar un pulso corto comprenden ventajosamente un absorbente saturable. Este tipo de elemento está particularmente adaptado de hecho para permitir la acumulación de energía luminosa en

30 la cavidad láser durante una duración determinada, para después liberar de forma instantánea la que conduce a un pulso de corta duración.

Para conseguir el accionamiento del pulso corto, la segunda subcavidad puede comprender medios de accionamiento externos de la misma dispuestos de tal forma que el accionamiento de esta segunda subcavidad

35 conduzca a la liberación del pulso corto generado por la primera subcavidad.

De acuerdo con una disposición particular de la segunda subcavidad, los medios de accionamiento externo comprenden un modulador óptico-acústico.

40 Preferiblemente, los medios de bombeo óptico se disponen de forma que suministren una radiación de una potencia sustancialmente cercana al umbral de emisión láser de la primera subcavidad sin alcanzarlo. La fluctuación temporal es de hecho más débil cuando más se aleja la potencia del umbral de misión y es posible pasar en gran parte por encima de este umbral con la acción de la segunda subcavidad activa.

45 Con el fin de activar de forma sincronizada la liberación de un pulso corto, los medios de accionamiento externo se sincronizan.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

50 La invención se entenderá mejor tras la lectura de la descripción detallada de una realización no limitante, acompañada con las figuras que muestran respectivamente:

-la figura 1, un diagrama que representa un sistema láser de acuerdo con una primera realización de la invención, y

55 -la figura 2, un diagrama que representa un sistema láser de acuerdo con una segunda realización de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES PARTICULARES

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Por luz policromática en la presente patente se entenderá una luz cuyo espectro es sustancialmente continuo y no discretizado en longitud de onda en un ancho de banda.

Con referencia a la figura 1, un sistema de emisión de luz de banda ancha de acuerdo con una primera realización

5 de la invención comprende medios de bombeo óptico 1, así como una cavidad formada por dos subcavidades acopladas 3 y 4. Pueden disponerse más de dos subcavidades en esta cavidad sin apartarse del alcance de la presente patente.

El acoplamiento entre las cavidades es un acoplamiento interferométrico en el sentido en que, y como será evidente

10 a partir de la lectura de la siguiente descripción, el acoplamiento funciona en la misma longitud de onda y puede dar lugar a pérdidas pertenecientes a la superposición en fase, o no, de los diferentes componentes de radiación láser. Por lo tanto, un cambio en una cavidad requiere un cambio en las demás actividades.

Los medios de bombeo óptico 1 permiten conseguir la inversión de población del medio amplificador 6 situado en la 15 primera cavidad 3.

Estos medios de bombeo pueden, por ejemplo, estar en forma de un diodo láser casi monocromático o una lámpara flash.

20 De acuerdo con esta primera realización de la invención, los medios de bombeo óptico 1 pueden funcionar de acuerdo con un modo impulsional sincronizado temporalmente, o de acuerdo con un modo casi continuo o continuo.

La primera subcavidad 3 comprende un medio de ganancia 6 que puede tomar la forma de un microchip, por ejemplo un microcristal láser de tipo YAG al 1,1 %. Esta primera subcavidad 3 también comprende dos espejos de

25 Bragg o dieléctricos 10 y 11, dispuestos en cada extremo de la subcavidad 3. Por lo tanto, esta subcavidad 3 forma una cavidad láser que puede excitarse bajo el efecto de la radiación 2 proporcionada por los medios de bombeo óptico 1.

La segunda subcavidad 4 comprende un elemento no lineal 7 rodeado por dos espejos de Bragg o dieléctricos 11 y

30 12. Este elemento 7 forma unos medios de guiado de luz resultantes de la primera subcavidad 3. Esto hace posible expandir el espectro de luz procedente de la cavidad láser 3 para suministrar una luz policromática correspondiente a un continuo en la salida. Esta cavidad es sustancialmente mayor (>x 10) que la primera cavidad 3.

Estos medios de guiado 7 pueden comprender una guía de luz, constituida por fibras o cristales, comprendiendo

35 posiblemente un circuito integrado. La guía de luz puede ser una fibra óptica, por ejemplo una fibra concéntrica de doble núcleo de una longitud de unos pocos metros, considerando que el experto sabrá cómo seleccionar la forma y dimensiones de esta fibra de acuerdo con la aplicación prevista, particularmente desde el punto de vista de las longitudes de onda de la luz a emitir. De hecho, el experto apreciará la importancia de la elección de la fibra (unimodal, multimodal, etc.) con respecto a sus modos de excitación.

40 En el caso de una fibra óptica, puede ser microestructurada, teniendo así la ventaja de constituir una estructura optogeométrica, que puede modificarse durante su producción, lo que hace posible controlar el perfil de dispersión y permite un guiado de la luz sobre toda la banda de transmisión del material de la fibra.

45 Estos medios de guiado 7 se disponen en la trayectoria de la cavidad láser 3 en la dirección longitudinal de esta cavidad. En estas condiciones, la luz de la subcavidad 3 se inyecta en los medios de guiado 7. Por lo tanto, es posible obtener una luz policromática 5, en el caso de excitación de estos medios de guiado por la radiación de la cavidad 3.

50 Con el fin de inyectar de forma óptica la luz procedente de la cavidad láser 3 en la guía de luz (o cualquier otro medio de guiado de luz capaz de permitir la aparición de interacciones no lineales), puede proporcionarse la introducción de una lente convergente corriente arriba de dicha guía, así como una orientación particular del haz inyectado en dicha guía.

55 También puede proporcionarse un elemento de amplificación de luz en la segunda subcavidad 4, con el fin de generar una luz de banda ancha de mayor energía.

El acoplamiento de las dos subcavidades 3 y 4 funciona por la disposición común del espejo 11, estando éste último en un extremo de la primera subcavidad 3 y en el otro extremo de la segunda subcavidad 4. Los espejos de Bragg o

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dieléctricos 10 y 12 -con respecto a los dos extremos de las dos subcavidades 3 y 4 -constituyen así los dos espejos que rodean la cavidad principal. Por lo tanto, se apreciará que las subcavidades forman, en virtud de su acoplamiento, una tercera cavidad: la cavidad principal.

5 Para un diodo de bomba 1 que muestra una emisión máxima a una longitud de onda de 808 nanómetros y una potencia media de 3 vatios, puede usarse, por ejemplo, un espejo 10, cuya reflexión máxima se sitúa a 1064 nanómetros y la mínima a 808 nanómetros, un espejo 11 de coeficiente de reflexión al 87 % en 1064 nm y un espejo 12 de coeficiente de reflexión del 95 % a 1064 nm.

10 Por lo tanto, se consigue un sistema de emisión de luz de banda ancha, en base a una luz láser monocromática o casi cromática formada inicialmente dentro de la cavidad láser 3, por el ensanchamiento del espectro de esta luz láser. Esta luz policromática, mediante la disposición en cascada y el acoplamiento a las dos subcavidades, muestra una buena estabilidad temporal con pulsos cortos (sub-nanosegundos).

15 Como un único resonador formado por dos subcavidades acopladas, el sistema de emisión de luz de banda ancha es relativamente compacto.

Con respecto a la potencia de los medios de bombeo óptico, el experto en la técnica apreciará que la eficiencia de conversión de los fotones de excitación hacia los fotones del continuo depende de la potencia pico suministrada por

20 la primera cavidad 3 y de la potencia media del módulo de bombeo óptico 1, y las dimensiones del núcleo, así como la longitud de la fibra 7. Por lo tanto, un módulo de bombeo óptico que suministra una potencia luminosa fuerte (todos los tipos de longitudes de onda de excitación) hace posible usar una fibra óptica (o más generalmente una guía de luz).

25 Con respecto al ensanchamiento espectral correspondiente a la generación de la luz policromática de amplio espectro, puede considerarse si realización en único paso en la fibra 7, o en varios pasos.

Con respecto a la elección de la longitud o longitudes de onda de excitación, estas pueden determinarse de tal forma que aparezca un ensanchamiento espectral homogéneo y simétrico en cualquier lado de una de las longitudes de 30 onda de bomba, así como una minimización de los componentes Raman.

Ahora se describe una segunda realización de la invención, que permite generar pulsos cortos de amplio espectro y una baja fluctuación temporal y espectral, con referencia a la figura 2.

35 En esta alternativa, la primera subcavidad 3 también comprende un absorbente saturable pasivo 8 formado, por ejemplo, por CR4 + (absorbente) abs 3 cm-1. Puede preverse que los elementos 6 y 8 estén comprendidos en un solo y único componente.

La segunda subcavidad 4 comprende un activador externo 9, que puede ser, por ejemplo, un modulador (óptico40 acústico, optoelectrónico o micro-opto-electro-mecánico), otro láser, por ejemplo un microláser de pulso corto, o un diodo láser de picosegundo.

Los medios de bombeo óptico 1 de la primera subcavidad 3 se disponen con respecto a esta subcavidad de tal forma que no alcancen su umbral de misión láser, estando al mismo tiempo sustancialmente cercanos al mismo.

45 Mediante el acoplamiento entre las dos subcavidades, el absorbente saturable 8 de la primera subcavidad 3 permite evitar el arranque del láser introducido pérdidas ópticas y dando como resultado así un almacenamiento de energía luminosa dentro del cristal amplificador 6. El accionamiento externo operado por el accionador 9 de la segunda subcavidad 4 permite accionar, en cascada, la cavidad 3, produciendo así un pulso monocromático.

50 Por lo tanto, se obtiene la generación de un pulso de luz de alta energía y corta longitud, controlado por un accionador externo con respecto a la subcavidad bombeada 3. La frecuencia operativa del accionador 9 determina, por lo tanto, la frecuencia de emisión de los pulsos de luz del sistema. La duración del pulso óptico generado se determina por la longitud de la cavidad 3 y por el tipo de absorbente saturable situado en el interior.

55 Este pulso monocromático cruza el espejo de acoplamiento 11 y causa un espectro amplio por medio del medio no lineal 7.

Por lo tanto, se consigue un continuo intracavidad en modo "Q-SWITCH" estable. Este espectro de banda ancha se

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genera en la cavidad amplificadora (es decir, la subcavidad 4), por lo tanto, en una cavidad externa a la subcavidad 3 pero dentro de la cavidad formada por los espejos 10 y 12.

Las realizaciones que se han descrito anteriormente en la presente invención se dan a modo de ejemplo y no son 5 limitantes en ningún modo. Es obvio que el experto en la técnica es probable que consiga diversas alternativas de la invención dentro del alcance de la patente.

En particular, puede considerarse disponer varios sistemas de emisión de luz, objetos de la invención, en cascada o en paralelo, o ambos, de acuerdo con las aplicaciones consideradas y el rendimiento requerido.

10 Además, este sistema puede adaptarse de acuerdo con la aplicación prevista, particularmente para aplicaciones en los campos de las telecomunicaciones y biofotónica, particularmente para el diagnóstico o clasificación celular, de oftalmología, tomografía de coherencia óptica o microscopía confocal.

Claims (12)

1. REIVINDICACIONES

   1. Sistema para emitir una luz policromática, que comprende una cavidad láser (3), medios (1) para bombear ópticamente la cavidad láser (3), siendo capaz dicha cavidad láser de emitir una radiación de acuerdo con 5 al menos una longitud de onda de excitación, y unos medios de guiado de luz (7) dispuestos, en el caso de excitación por dicha radiación en un régimen de interacción no lineal, para suministrar a una salida (5) una luz policromática, caracterizado por que los medios de guiado (7) se disponen en el interior de una cavidad formada por al menos dos subcavidades (3, 4), entre las cuales una primera subcavidad (3) forma dicha cavidad láser (3) y una segunda subcavidad (4) comprende dichos medios de guiado (7), estando dichas primera (3) y segunda (4)

   10 subcavidades acopladas interferométricamente.
2. 2. Sistema de emisión de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los medios de guiado (7) comprenden una guía de luz.

   15 3. Sistema de emisión de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la guía de luz se realiza sobre un sustrato óptico plano.

3. 4. Sistema de emisión de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios de guiado

   (7)

   comprenden al menos una fibra óptica de dimensiones seleccionadas. 20

4. 5. Sistema de emisión de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que la fibra óptica está microestructurada y/o dopada y/o tiene une dimensión transversal descendente en función de la propagación ("taper").

   25 6. Sistema de emisión de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que las dos subcavidades (3, 4) comprenden en cada uno de sus extremos un medio (10, 11, 12) para reflejar parcialmente la luz.

5. 7. Sistema de emisión de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que los medios (10, 11, 12) para 30 reflejar parcialmente la luz son reflectores de Bragg.
6. 8. Sistema de emisión de acuerdo con la reivindicación 7, en el que el acoplamiento de las dos subcavidades (3, 4) se produce por la disposición de un medio de reflexión parcial común (11) por dichas dos subcavidades (3, 4).

   35
7. 9. Sistema de emisión de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera subcavidad (3) comprende medios (8) para generar un pulso corto.
8. 10. Sistema de emisión de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, comprendiendo los medios 40 (8) de generación de un pulso corto un absorbente saturable.
9. 11. Sistema de emisión de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la segunda subcavidad (4) comprende medios (9) de accionamiento externo a los últimos dispuestos de tal manera que el accionamiento de dicha segunda subcavidad (4) provoque la salida del pulso corto generado por dicha primera subcavidad (3).

   45

10. 12.

    Sistema de emisión de acuerdo con la reivindicación anterior, en el que los medios externos de accionamiento (9) comprenden un modulador acústico-óptico.

11. 13.

    Sistema de emisión de acuerdo con la reivindicación 12, en el que los medios de bombeo óptico (1) se

    50 disponen de tal manera que emitan una radiación (2) con una potencia sustancialmente cercana al umbral de emisión láser de la primera subcavidad (3) sin alcanzarlo.
12. 14. Sistema de emisión de acuerdo con una de las reivindicaciones 12 o 13, en el que los medios externos

    (9) para el accionamiento se sincronizan. 55

    7