BRPI0705854B1

BRPI0705854B1 - prisma, e laser compacto unidirecional, de frequência-única, com cavidade de geometria plana em anel sem elementos intracavidade

Info

Publication number: BRPI0705854B1
Application number: BRPI0705854A
Authority: BR
Inventors: Flávio Caldas da Cruz
Original assignee: Universidade Estadual De Campinas - Unicamp
Priority date: 2007-12-20
Filing date: 2007-12-20
Publication date: 2018-10-16
Also published as: WO2009079730A2; BRPI0705854A2; WO2009079730A3

Abstract

prisma, e laser compacto unidirecional, de freqüência única, com cavidade de geometria plana em anel sem elementos intracavidade. de acordo com a presente invenção, descreve-se um laser com cavidade óptica compacta de geometria plana em anel que produz oscilação laser unidirecional sem recorrer ao uso de elementos intracavidade, podendo, além disto, operar em regime de frequência única. um prisma especial é usado como espelho de saída e as propriedades da reflexão interna neste prisma são usadas para selecionar uma das duas possíveis direções de oscilação da cavidade em anel. o desenho compacto, sem elementos intracavidade para forçar oscilação unidirecional, permite que potências mais altas de saida sejam obtidas. operação estável em regime de frequência única é obtida pela combinação do uso de elementos seletivos em frequência, tais como grades de bragg volumétricas, etalons, ou filtros birrefringentes, com um projeto compacto da cavidade, que pode incluir uma estrutura monobloco, e com o uso de materiais estruturais de baixo coeficiente de expansão térmica.

Description

(54) Título: PRISMA, E LASER COMPACTO UNIDIRECIONAL, DE FREQUÊNCIA-ÚNICA, COM CAVIDADE DE GEOMETRIA PLANA EM ANEL SEM ELEMENTOS INTRACAVIDADE (51) lnt.CI.: H01S 3/083 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS - UNICAMP (72) Inventor(es): FLÁVIO CALDAS DA CRUZ (85) Data do Início da Fase Nacional: 20/12/2007

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PRISMA, E LASER COMPACTO ÜNIDIRECIONAL, DE FREQÜÊNCIAÓNICA, COM CAVIDADE DE GEOMETRIA PLANA EM ANEL SEM

ELEMENTOS INTRACAVIDADE

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO 1. Campo da Invenção

Esta invenção é relacionada ao campo de lasers de cavidade em anel, e particularmente aos lasers de estado sólido, lasers de freqüência única e lasers sintonizáveis, tais como sistemas lasers baseados nos cristais de

Ti:safira, Cr:LISAF, Alexandrita, Nd:YAG ou Nd:YVO4.

2. Descrição da Arte Prévia Relacionada a esta Invenção

Lasers são construídos geralmente com cavidades óticas planas em configurações lineares ou em anel. É bem conhecido que no caso de lasers contínuos (cw), cavidades em anel oferecem a vantagem de propiciar operação em freqüência única com alta potência porque evitam o efeito de hole-burning espacial (A. E. Siegman, Lasers, Univ. Sei. Books, Sausalito, CA, 1986). Para cavidades lineares, os nós das ondas estacionais criadas pelos feixes contrapropagantes deixam regiões de ganho disponíveis, que podem ser usados por outros modos da cavidade do laser. Mesmo quando elementos seletivos em freqüência são usados, tais como filtros birefringentes, etalons, etc, cavidades lineares podem não propiciar operação em freqüência única (single-frequency) . Entretanto, oscilação em freqüência única é desejável em muitas aplicações, especialmente quando alta pureza espectral é exigida como em espectroscopia de alta precisão e alta resolução, interferometria, análise (detecção de traços de gases) e inspeção, ótica quântica, metrologia, etc. Cavidades em de 13/08/2018, pág. 5/34

2/18 anel evitam esse problema, uma vez que os feixes contrapropagantes são ondas viajantes que não causam holeburning espacial. Contudo, oscilação laser em cavidades em anel ocorre em ambas as direções de propagação possíveis, e é quase sempre desejável que oscilação unidirecional seja estabelecida.

Oscilação em uma única direção de uma cavidade óptica em anél geralmente requer o uso de um elemento intracavidade tal como um diodo ótico (C.E. Wagstaff and M. H. Dunn, J. Phys. D, 12 (1979) 355-368) . O mais comum emprega a discriminação proporcionada pelo efeito Faraday, o qual causa uma rotação de polarização que depende da direção de propagação. Essa rotação é tipicamente compensada pela rotação de polarização induzida por atividade ótica em outro elemento intracavidade, tal como uma fina placa de quartzo, ou por uma placa de meia onda. O resultado é uma grande perda óptica para uma das duas direções de propagação, visto que a rotação de polarização implica em altas perdas por reflexão em outras superfícies da cavidade do laser. A outra direção sofre baixas perdas e passa a ser a única a oscilar. Esses diodos ópticos, todavia, adicionam complexidade ao projeto do laser e introduzem perdas por inversão ótica que reduzem a potência de saída do laser.

Outro esquema usado para obter operação unidirecional em freqüência única também usa o efeito Faraday em uma pequena cavidade em anel monolítica em geometria não plana (T. J. Kane, and R. L.Byer, Opt. Lett. 10 (1985) 65-67). Esse esquema tem sido empregado com meios de ganho com largura de banda espectral limitada, tais como Nd:YAG, e de 13/08/2018, pág. 6/34

3/18 outros. Contudo para meios de ganho com grande largura de banda espectral, tais como Ti:safira, Cr:LISAF, ou

Alexandrita, esse esquema possui limitações porque elementos seletivos em freqüência não podem ser empregados, e portanto sintonia ou controle do comprimento de onda ao longo de toda a banda espectral não é possível de serem obtidos.

Há ainda outro esquema para obter oscilação unidirecional em cavidades em anel de geometria plana, que é baseado em retroreflexão de um dos dois feixes de saída por um espelho externo (H. W.Schrõder, L. Stein, D. Frõlich, B. Fugger, and H.Welling, Appl. Phys. B 14 (1977)

377-380; J.M. Green, J. P.Hohimer, F. K. Tittel, Opt. Commun., 7 (1973) 349-350). Esse esquema funciona bem, mas geralmente não força a operação estável em freqüência única porque ruídos térmico ou vibracional induzem flutuações de fase no feixe retrorefletivo. A solução para isto pode ser uma estabilização ativa por um servo-mecanismo de controle para, por exemplo, manter estável o caminho ótico entre o espelho externo e a cavidade do laser. Isto, porém adiciona complexidade ao projeto. A presente invenção relaciona-se a este método, porém introduz inovações úteis e não-óbvias.

Ainda outro esquema para obter oscilação unidirecional tem sido explorado em que uma placa semitransparente com faces não paralelas (wedge) e com revestimentos (coatings) com diferentes refletividades em ambas as faces é introduzida dentro da cavidade do laser (E. Stoykova, M. Nenchev, Opt. Lett., 19 (1994) 1925-1927). Essa técnica tem a desvantagem de introduzir perdas significativas na cavidade, e portanto tem sido demonstrada para lasers

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4/18 pulsados (Q-switched), para os quais o alto ganho e amplificação podem compensar estas perdas.

A fácil obtenção de oscilação unidirecional em uma cavidade em anel por retroreflexão do prisma-espelho de saída permite que um laser bastante compacto e eficiente possa operar em freqüência única. Em publicações prévias (C. Zimmermann, V. Vuletic, A. Hemmerich, L. Ricci, and T. W. Hánsch, Opt. Lett, 20 (1995) 297-299) um laser cw compacto de Ti:safira foi demonstrado usando somente dois etalons como os únicos elementos intracavidade, além do próprio meio de ganho. Essa cavidade, todavia era uma cavidade linear de onda estacionária, e como resultado disto, a oscilação do laser estava sempre restrita a dois modos longitudinais. Operação em freqüência única (em em único modo longitudinal) não pôde portanto ser obtida.

Mais recentemente, uma grade de Bragg volumétrica foi empregada como elemento seletivo em freqüência para lasers de Ti:safira (Te-Yuan Chung, A. Rapapord, V. I. Smirnov, L. B. Glebov, M.C. Richardson, and M. Bass, Opt. Lett., 31 (2006); M. Hemmer, T. Chung, Y. Chen, V. Smirnov, L. Glebov, M. C. Richardson, and M. Bass, 27^th Annual Conference on Lasers and Electro-Optics CLEO/QELS and Phast Technical Digest, paper code CThE5, Baltimore, MD, 2007). Todavia, a cavidade empregada foi novamente a cavidade linear de ondas estacionárias e como resultado disto, a oscilação do laser novamente ficou restrita a dois modos longitudinais. Operação em freqüência única também não pôde ser obtida.

Como descrito na arte anterior, oscilação laser unidirecional em cavidades planas em anel pode ser obtida de 13/08/2018, pág. 8/34

5/18 através do uso de um ou mais componentes óticos intracavidade. Estes dispositivos intracavidade são indesejáveis porque adicionam tanto complexidade ao projeto do laser como perdas ópticas na cavidade do laser, que simplesmente reduzem sua potência de saída.

OBJETOS DA INVENÇÃO

É, portanto um objeto da presente invenção prover um laser de cavidade plana em anel com pequenas dimensões físicas, que opere em uma única direção sem recorrer a elementos intracavidade para este objetivo.

Outro objeto da presente invenção é prover um prisma especial usado tanto como espelho de saída do laser como um elemento óptico responsável por forçar oscilação unidirecional. Devido à não utilização de elementos intracavidade para atinqir oscilação unidirecional, é portanto, possível obter uma potência de saída útil mais alta, menores custos e um tamanho físico bastante reduzido. Em uma das possíveis modalidades da presente invenção, esse prisma-espelho de saída tem um revestimento (coatinq) parcialmente refletor em uma de suas faces que é a que inteqra a cavidade do laser. A reflectividade deste revestimento (coatinq) é otimizada para maximizar a potência de saída, como um espelho de saída normal. Os dois feixes, circulando em direções opostas na cavidade em anel do laser, incidem nesta face e refratam no prisma sequndo a lei de Snell. Os ânqulos do prisma são tais que um destes feixes refratados (chamado primeiro feixe) é totalmente transmitido pela sequnda face em ânqulo de Brewster, e constitui assim o feixe de saída do laser. O outro feixe (chamado de sequndo feixe) é totalmente refletido nesta de 13/08/2018, pág. 9/34

6/18 segunda face por reflexão interna total. Nesta modalidade explora-se, portanto a pequena diferença angular que existe na reflexão interna entre o ângulo de Brewster e o ângulo critico. Este segundo feixe então incide na terceira e restante face do prisma, que tem um revestimento (coating) altamente refletor, de forma que este feixe é retrorefletido ao longo de sua trajetória. Este feixe é consequentemente reinjetado na cavidade do laser, e é responsável por eliminar a oscilação do laser naquela direção da cavidade em anel. A oscilação do laser neste caso passa a ocorrer somente na direção do primeiro feixe.

Em outra modalidade da presente invenção, este prismaespelho de saida também tem um revestimento (coating) parcialmente refletor em uma das faces que é a que integra a cavidade do laser no lugar do espelho de saida. Todavia a segunda face deste prisma tem um revestimento (coating) tal que transmita fortemente um dos feixes, o qual incide num certo ângulo de incidência, e reflita fortemente o outro feixe que obviamente incide em outro ângulo de incidência. Este segundo feixe então atinge a terceira face do prisma, que tem um revestimento (coating) altamente refletor, em incidência normal (zero grau), de forma que é então retrorefletido justamente na mesma direção. Esse feixe é então reinjetado na cavidade do laser, e é responsável por eliminar a oscilação do laser naquela direção. Oscilação do laser em cavidade em anel neste caso ocorre também somente na direção do primeiro feixe.

Um objeto adicional da presente invenção é prover um laser de cavidade compacta em anel cuja cavidade é construída com materiais de baixo coeficiente de expansão de 13/08/2018, pág. 10/34

Ί/ΥΖ térmica, tais como sílica fundida, INVAR, fibra de carbono,

Zerodur e ULE.

Um objeto adicional da presente invenção é prover um laser de cavidade compacta em anel cuja cavidade seja construída em estrutura monobloco ou monolítica, a fim de propiciar alta estabilidade mecânica, com sensibilidade reduzida a ruído acústico e vibracional.

Um objeto adicional da presente invenção é prover um laser de cavidade compacta em anel que combine tamanho reduzido com o uso de materiais de baixa expansão térmica, de forma a obter flutuações de comprimento da cavidade, induzidas por ruído vibracional e/ou térmico, menores do que ou da ordem do comprimento de onda do laser. Para lasers visíveis ou no infravermelho próximo, isto siqnifica poucas centenas de nanômetros.

Outro objeto da presente invenção é obter um sistema laser de cavidade compacta em anel em qeometria plana, o qual, além de atinqir oscilação unidirecional da forma descrita acima, também oscila de forma estável em um único modo longitudinal (freqüência única, sinqle-frequency).

Isso é consequido construindo a cavidade do laser com pequenas dimensões físicas e usando materiais de baixo coeficiente de expansão térmica. Com essas duas características, as flutuações passivas de comprimento total da cavidade, induzidas por ruído térmico e/ou vibracional (acústico, sísmico), são da ordem de ou menores do que o comprimento de onda do laser. Dessa forma, preserva-se estabilidade de fase para o feixe reinjetado da cavidade do prisma-espelho de saída, e nenhum servo30 controle é necessário para essa luz retrorefletida. Esta

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8/18 estabilidade de fase assegura operação estável em freqüência única. Caso necessário, um controle ativo de temperatura da cavidade do laser pode ser empregado para garantir oscilação em frequência única em tempos muito longos.

Um objeto adicional da presente invenção é prover um laser de cavidade compacta em anel que use elementos seletivos em freqüência dentro da cavidade, tais como um filtro birrefringente, um ou dois etalons ou uma grade de Bragg, a fim de obter oscilação laser em freqüência única para lasers com alta largura de banda espectral, tais como Ti: safira, Cr:LISAF, Alexandrita, e outros.

Um objeto adicional da presente invenção é prover um laser de cavidade em anel em geometria plana o qual, devido ao seu tamanho reduzido, permite um pequeno tamanho de foco no seu meio de ganho, o que consequentemente permite obter um baixo limiar (threshold) de oscilação. Como exemplo, protótipos já demonstrados de lasers Ti:safira atingem limiares de oscilação de 300 mW para bombeamento por um laser de freqüência única a 532nm. Esse baixo limiar permite que se use um laser de bombeamento com 1 ou 2 Watts de potência de saída para o bombeamento do laser Ti:safira. Potências de saída de 1.5 W foram demonstradas para lasers de Ti:safira bombeados por 5 Watts em 532 nm.

Ainda um objeto adicional da presente invenção é prover um sistema laser de cavidade em anel em geometria plana o qual é unidirecional, de freqüência única e não possui elementos intracavidade, exceto o próprio meio de ganho, tal como o cristal Ti: safira. Uma grade de Bragg volumétrica refletora é usada tanto como um dos espelhos da de 13/08/2018, pág. 12/34

9/18 cavidade do laser como um elemento seletivo em freqüência.

Este projeto simplifica enormemente as versões de lasers amplamente sintonizáveis de freqüência única (tais como o de Ti:safira) disponíveis hoje e devem implicar numa significativa redução de custos e dimensões físicas.

Ainda um objeto adicional da presente invenção é prover um sistema laser de cavidade em anel em geometria plana o qual é unidirecional e opera em regime de modos acoplados, produzindo pulsos ultracurtos. O acoplamento de modos é produzido de forma ativa ou passiva, neste último caso através do mecanismo de lente Kerr. Para isto utilizam-se espelhos da cavidade do laser que são dispersivos (chirped) de forma a produzir uma dispersão da velocidade de grupo negativa, que compense a dispersão positiva introduzida pelo meio de ganho. Alternativamente, um par de prismas pode ser utilizado no lugar de espelhos dispersivos, para introduzir dispersão de velocidade de grupo negativa. O uso do prisma-espelho de saída assegura oscilação unidirecional da cavidade em anel sempre na direção desejada, e, portanto sem necessidade de uso de qualquer outro componente para este fim.

DESCRIÇÃO DOS FIGURAS

FIG.l é a ilustração de uma arte prévia de um laser de cavidade em anel usando um diodo ótico baseado na rotação de Faraday para atingir oscilação unidirecional. Um cristal de Faraday (2 8) , como o TGG, é colocado em ângulo de Brewster sob um campo magnético produzido por imãs permanentes. Uma placa fina de quartzo (30) ou uma placa de onda (waveplate) compensa a rotação de Faraday.

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FIG.2 é uma ilustração de uma arte prévia de um laser de cavidade em anel configurado para oscilação unidirecional e de freqüência única. A cavidade do laser inclui um diodo ótico (30) (Fig.l), um filtro birrefringente (32) e dois etalons (34, 36), sendo um fino (36) e outro grosso (34), podendo este último ser formado por dois prismas de forma que seu comprimento possa ser variado.

FIG.3 é a ilustração de outra arte prévia de um laser 10 de cavidade em anel configurado para oscilação unidirecional e de freqüência única. A cavidade inclui um diodo ótico (30), um filtro birrefringente (32) e somente um etalon (34) para atingir oscilação undirecional e de freqüência única.

FIG.4 é um diagrama esquemático do prisma especial usado como espelho de saída do laser de cavidade compacta em anel da presente invenção.

FIG.5 é um diagrama esquemático ilustrando uma modalidade do laser de cavidade compacta em anel da presente invenção que usa uma grade de Bragg volumétrica refletora (24), funcionando tanto como um dos espelhos da cavidade do laser como um elemento seletivo em freqüência para obter oscilação de freqüência única. Além dela, um prisma (28) é usado tanto como espelho de saída como para forçar oscilação unidirecional.

FIG.6 é um diagrama esquemático ilustrando uma modalidade do laser de cavidade compacta em anel da presente invenção onde uma grade de Bragg volumétrica transmissora (30) é usada como elemento seletivo em freqüência para obter oscilação de freqüência única. Além

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11/18 dela, um prisma (28) é usado tanto como espelho de saída como para forçar oscilação unidirecional.

FIG.7 é um diagrama esquemático ilustrando uma modalidade do laser de cavidade compacta em anel da presente invenção onde um filtro birrefringente (30) e um etalon fino (32) são usados como elementos seletivos em freqüência para obter oscilação de freqüência única. Além deles, o prisma (28) da Figura 4 é usado tanto como espelho de saída como para forçar oscilação unidirecional.

FIG.8 é um diagrama esquemático ilustrando uma modalidade da cavidade do laser em anel compacto da presente invenção onde dois etalons (30, 32) são usados como elementos seletivos em freqüência para obter oscilação de freqüência única. Além deles, um prisma (28) é usado tanto como espelho de saída como para forçar oscilação unidirecional.

FIG.9 é um diagrama esquemático ilustrando uma modalidade do laser de cavidade compacta em anel da presente invenção no qual espelhos dispersivos (chirped mirrors) (18, 22, 24) são usados para obter oscilação em regime de acoplamento de modos (mode-locking). Além dela, um prisma (2 8) é usado tanto como espelho de saída como para forçar oscilação unidirecional.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS

Referindo-se agora à FIG.4, o prisma 18 é usado como espelho de saída e ao mesmo tempo como um elemento ótico que força oscilação unidirecional. Ele possui ângulos internos α (12), β (14) e γ (16), assim como faces 6, 8 e

10. Os dois feixes contrapropagantes 2 e 4, circulando dentro da cavidade em anel e tendo polarizações lineares no

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12/18 plano da FIG.4, insidem na face 6 do prima 18, com ângulos de incidência φ. A face 6 tem revestimento (coating) parcialmente transmissor com refletividade otimizada para maximizar a potência de saida do laser, simplesmente como um espelho de saida normal. Os feixes 2 e 4 ref ratam no prisma com ângulos Θ como mostrado na figura 4. O feixe 2 inside na face 8 do prisma em ângulo de Brewster Θβ = tg^_1(l/n), onde n é o indice da refração do material do prisma no comprimento de onda λ do laser. O feixe 2 é neste caso totalmente transmitido e constitui o feixe útil de saida. O feixe 4, por outro lado, sofre reflexão interna total na face 8 e inside na face 10 em incidência normal (zero grau) . A face 10 possui um revestimento (coating) altamente refletor, de maneira que o feixe 4 é totalmente refletido e é portanto redirecinado em direção à cavidade do laser ao longo do mesmo caminho óptico. Supondo os critérios mencionados acima, ou seja, de transmissão total do feixe 2 na face 8, reflexão interna total do feixe 4 na face 8, seguida por sua retroreflexão na face 10, deduz-se neste caso que os ângulos do prisma devem satisfazer as seguintes relações: α = θ + Θβ, β = 2θ + θΒεγ = π- α-β.

Em outra modalidade, a face 8 do prisma tem um revestimento (coating) tal que o feixe 2 é altamente transmitido e o feixe 4 é altamente refletido em seus diferentes ângulos de incidência. Neste caso o prisma não precisa ser construído nos ângulos mencionados acima, porém o revestimento refletor da face 8 é muito mais difícil de ser feito, pois para um pequena variação do ângulo de incidência deve passar de altamente refletor para altamente transmissor.

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Na modalidade da FIG.5 do laser de cavidade compacta em anel, o laser de bombeamento 10 é direcionado pelos espelhos 12 ao longo da trajetória 14 em direção à cavidade do laser. A lente de bombeamento 16 é usada para focalizar o feixe de bombeamento no meio de ganho 20, e para casar (mode-match) os parâmetros do laser de bombeamento com os da cavidade do laser. A cavidade do laser é formada por espelhos 18 e 22, pela grade de Bragg refletora 24 também usada como espelho, e pelo prisma-espelho de saida 28, descrito na Fig. 4. A grade de Bragg refletora funciona tanto como um dos espelhos de cavidade do laser como um elemento seletivo em freqüência. Seu uso na cavidade em anel assegura oscilação em freqüência única mesmo para lasers com grande largura de banda de ganho tais como

Ti:safira, Cr:LISAF ou Alexandrita. Em uma modalidade, a grade 24 possui período variável (chirped grating), em cujo caso pode ser deslocada transversalmente para a seleção ou sintonia do comprimento de onda. Em outra modalidade, se a grade 24 possui período fixo (i.e., não é chirped), ela é girada para realizar a sintonia.

Na modalidade da FIG.5, a rotação da grade 24 é feita por um galvanômetro ou um motor-servo. Neste último caso, o controle do ângulo da grade é feito digitalmente por um computador, microprocessador, microcontrolador ou processador de sinais digital (DSP). O comprimento de onda do laser é calibrado externamente por um analisador de espectro ou um espectrômetro, tal que a posição angular da grade é mapeada no comprimento de onda do laser. Um microcontrolador, microprocessador ou computador armazena esses valores de forma que, após calibração, a sintonia ao

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14/18 comprimento de onda desejado é feita digitalmente de uma maneira muito simples. Um laser grandemente sintonizável, tal como o Ti:safira ou Cr:LISAF, é neste caso calibrado em comprimento de onda uma única vez na fábrica, o que elimina a necessidade de um medidor de comprimento de onda do laser pelo usuário, exceto quando uma recalibração torna-se necessária. A sintonia fina do comprimento de onda do laser é feita por um elemento ou transdutor piezoelétrico (2 6) que suporta um dos espelhos da cavidade 18 ou 22, ou mesmo a grade de Bragg 24.

Em outra modalidade mostrada na FIG.6 do laser de cavidade compacta em anel, um laser de bombeamento 10 é direcionado por espelhos 12 o longo do caminho 14 em direção ao laser de cavidade. A lente de bombeamento 16 é usada para focalizar o feixe de bombeamento no meio de ganho 20, e casar os parâmetros do feixe de bombeamento aos da cavidade do laser. A cavidade em anel é formada pelos espelhos 18, 22, 24, pela grade de Bragg transmissora 30 e pelo prisma-espelho de saída 28, descrito na Fig. 4. A grade de Bragg transmissora funciona como um elemento seletivo em freqüência. Seu uso na cavidade em anel garante oscilação em freqüência única mesmo para lasers com grande largura de banda espectral tais como Ti:safira, Cr:LISAF ou Alexandrita. A grade 24 pode ter variação de período (i.e., chirped) , em cujo caso pode ser transladada transversalmente para a seleção e sintonia do comprimento de onda. Alternativamente, se seu período for fixo (i.e., a grade não for chirped), ela pode ser girada para realizar a sintonia do laser. O espelho 24 (ou outro espelho da cavidade do laser) é posicionado pelo transdutor de 13/08/2018, pág. 18/34

15/18 piezoelétrico (26), que é usado seja para sintonia fina do comprimento de onda ou como um atuador para controlar a freqüência do laser.

Em outra modalidade da FIG.7 do laser de cavidade compacta em anel, um laser de bombeamento 10 é direcionado por espelhos 12 ao lonqo do caminho 14 em direção à cavidade do laser. A lente de bombeamento 16 é usada para focalizar o feixe de bombeamento no meio qanho 20, e casar os parâmetros do feixe de bombeamento da cavidade do laser. A cavidade em anel é formada por espelhos 18, 22, 24, pelo filtro birrefrinqente 30, pelo etalon 32 e pelo prismaespelho de saída 28, descrito na FIG.4. O filtro birrefrinqente 30 e um etalon fino 32 operam juntos como elementos seletivos em freqüência para forçar oscilação em freqüência única. O uso deles em cavidade em anel qarante oscilação em freqüência única mesmo para lasers de qrande larqura de banda tais como Ti:safira, Cr:LISAF ou

Alexandrita. Em uma modalidade da FIG.7 o filtro birrefrinqente 30 e o etalon 32 são precisamente qirados por um qalvanômetro ou um motor-servo. Neste último caso, o controle do ânqulo do etalon é feito diqitalmente por um computador, microcontrolador, microprocessador ou processador diqital de sinais (DSP). O comprimento do laser é calibrado externamente por um analisador de espectro ou um espectrômetro, de forma que a posição anqular do etalon é mapeada em comprimento do laser. Um microcontrolador, microprocessador ou computador armazena esses valores de modo que depois de calibrado, a sintonia ao comprimento de onda desejado é feita diqitalmente de um modo bastante simples. Um laser altamente sintonizável tal como de 13/08/2018, pág. 19/34

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Ti:safira ou Cr:LISAF, tem neste caso seu comprimento de onda calibrado uma única vez na fábrica, o que elimina a necessidade de um medidor de comprimento de onda do laser pelo usuário, exceto quando uma recalibração torna-se necessária. O espelho 24 (ou outro espelho da cavidade do laser) é suportado e posicionado pelo transdutor piezoelétrico (26), o qual é usado para sintonia fina do comprimento ou como atuador para controlar a freqüência do laser.

Na modalidade da FIG.8 do laser de cavidade compacta em anel, particularmente apropriada para lasers altamente sintonizáveis tais como Ti:safira, Cr:LISAF ou Alexandrite, o laser de bombeamento 10 é direcionado por espelhos 12 ao longo do caminho 14 em direção ao laser de cavidade. Uma lente de bombeamento 16 é usada para focalizar o feixe de bombeamento no meio de ganho 20, e casar os parâmetros do feixe de bombeamento aos da cavidade do laser. A cavidade em anel é formada pelos espelhos 18, 22, 24, por dois etalons finos 30 e 32, e pelo prisma-espelho de saída 28, descrito na Fig. 4. Os etalons finos 30 e 32 operam juntos como elementos seletivos em freqüência e podem ter espessuras levementes diferentes, de forma que seus picos de transmissão coincidem em intervalos espectrais muito grandes (em um efeito Vernier) , que pode ser de vários TeraHertz. Isso é importante para estabelecer oscilação de freqüência única em cavidade em anel para lasers altamente sintonizáveis tais como Ti:safira, Cr:LISAF ou Alexandrita. Os etalons 30 e 32 são girados precisamente por um galvanômetro ou um motor-servo. Neste último caso, um controle simultâneo dos ângulos de ambos os etalons é feito de 13/08/2018, pág. 20/34

17/18 digitalmente por um computador, microcontrolador, microprocessador ou processador de sinais digital (DSP) . O comprimento de onda do laser é calibrado externamente por

um analisador	de	espectro	ou um	espectrômetro,	de forma que
as posições	angulares	dos	etalons	são	mapeadas no
comprimento	de	onda	do	laser.	Um	computador,

microcontrolador ou microprocessador armazena esses valores de modo que, depois de calibrado, a sintonia ao comprimento da onda desejado é feita digitalmente de um modo simples. Um algoritmo apropriado que mapeia a posição angular de ambos os etalons no comprimento de onda é usado por um microprocessador. Um laser altamente sintonizável tal como Ti:safira ou Cr:LISAF, é neste caso calibrado em comprimento de onda uma única vez na fábrica, o que elimina a necessidade de um medidor de comprimento de onda do laser pelo usuário, exceto quando a recalibração torna-se necessária. O espelho 24 (ou outro espelho do laser de cavidade) é suportado e posicionado pelo transdutor piezoelétrico (26), o qual é usado para sintonia fina do comprimento de onda ou como atuador de controle de freqüência do laser.

Em outra modalidade mostrada na FIG. 9 do laser de cavidade compacta em anel, um laser de bombeamento 10 é direcionado por espelhos 12 o longo do caminho 14 em direção ao laser de cavidade. A lente de bombeamento 16 é usada para focalizar o feixe de bombeamento no meio de ganho 20, e casar os parâmetros do feixe de bombeamento aos da cavidade do laser. A cavidade em anel é formada pelos espelhos 18, 22, 24, e pelo prisma-espelho de saída 28, descrito na Fig. 4. Quaisquer dos espelhos 18, 22 e 24, ou de 13/08/2018, pág. 21/34

18/18 mesmo os revestimentos (coatings) do prisma-espelho 28, podem ser dispersivos (chirped) de forma a introduzir uma dispersão de velocidade de grupo (GVD, group velocity dispersion} negativa, tal que compense a dispersão positiva introduzida pelo meio de ganho. Desta forma o laser oscila em regime de acoplamento de modos (mode-locking) , através do mecanismo de lente Kerr (Kerr lens), produzindo pulsos ultracurtos. O prisma espelho garante oscilação unidirecional da cavidade em anel deste laser de modos acoplados e elimina, portanto, qualquer elemento intracavidade usado para este fim, como é o caso, por exemplo, de moduladores acusto-ópticos usados hoje para este fim em vários modelos comerciais. O espelho 24 (ou outro espelho da cavidade do laser) é posicionado pelo transdutor piezoelétrico (26), que pode ser usado como atuador para estabilizar a taxa de repetição do laser de modos acoplados. Em outra modalidade, que é uma variação natural do esquema da Fig. 9, um par de prismas é usado dentro da cavidade do laser para introduzir dispersão de velocidade de grupo negativa, no lugar do uso de espelhos dispersivos. Esta é a forma mais usual utilizada hoje para produzir pulsos ultracurtos através do mecanismo de acoplamento passivo de modos baseado em lente Kerr.

Como está descrito na presente invenção, será aparente para aqueles experientes na arte que a mesma pode ser variada de muitas maneiras sem se desviar do seu escopo e finalidade. É, portanto intenção que todas e quaisquer modificações sejam incluídas dentro das finalidades das reivindicações anexas.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Prisma (prisma-espelho) caracterizado por compreender:

um revestimento (filme, coating) dielétrico 5 parcialmente reflector depositado em uma de suas faces (chamada de primeira face) que atua como espelho de saída (28), este prisma tendo ainda ângulos tais que um dos feixes linearmente polarizados circulantes na cavidade em anel (chamado de primeiro feixe) é transmitido através da

10 primeira face e sofre transmissão total em ângulo de Brewster na segunda face, enquanto o outro feixe circulante em sentido oposto na cavidade em anel (chamado segundo feixe) é transmitido através da primeira face e sofre reflexão interna total na segunda face, este prisma tendo

15 ainda um filme (coating) altamente refletor depositado na terceira face restante, onde o segundo feixe refletido pela segunda face é totalmente refletido nesta terceira face ao longo de si mesmo de forma que seja retroin j etado para dentro da cavidade ótica do laser.

20 2. Prisma, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que se os dois feixes contrapropagantes da cavidade em anel incidem na primeira face do prisma-espelho de saída com ângulos de incidência φ e refratam com ângulos internos Θ dentro do prisma, e se

25 este mesmo prisma tiver índice de refração n no comprimento de onda λ, então o prisma é construído com ângulos internos α, β e γ tais que α = Θβ + Θ, β = Θβ +2Θ εγ=π-α-β, em que Θ é ο ângulo de Brewster para transmissão interna total no prisma, definido como tg^-1 (1/n) .

30 3. Prisma, de acordo com a reivindicação 1,

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2/8 caracterizado pelo fato de que alternativamente o prismaespelho de saída (28) tem um revestimento (coating) dielétrico na segunda face (face de saída) de forma que

transmita o feixe 1 e reflita o feixe 2, que se propagam dentro do prisma. 4. Prisma, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que é

feito com um material de baixo coeficiente de expansão térmica, tal como sílica fundida.

5. Prisma, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o prisma-espelho de saída (28) pode ter a primeira face tanto plana como curva (côncava ou convexa), de forma a ser utilizado como um espelho de saída (28) plano ou curvo.

6. Prisma, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que o prisma-espelho de saída (28) pode ter a terceira face tanto plana como curva (côncava em especial) no sentido transversal ao plano da cavidade ótica do laser, de forma a reduzir a sensibilidade de seu alinhamento ao plano da cavidade ótica do laser.

7. Laser de cavidade de geometria plana em anel que atinge oscilação unidirecional caracterizado pelo fato de compreender uma cavidade ótica do laser que inclui um meio ativo (partícularmente de estado sólido), pelo menos um espelho (partícularmente dielétricos, incluindo o caso em que são depositados diretamente em uma ou mais faces do próprio meio ativo de estado sólido) e o prisma de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6.

8. Laser de cavidade de geometria plana em anel que de 13/08/2018, pág. 24/34
3/8 atinge oscilação unidirecional, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a cavidade ótica do laser ainda inclui outros elementos ópticos, tais como filtros de frequência, etalons, moduladores eletro5 ópticos, moduladores acusto-ópticos, cristais não-lineares,

placas de Brewster, grade de Bragg volumétrica, lentes, prismas ou suas combinações . 9. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de

10 que pode operar em regime contínuo (cw), de modos acoplados (mode-locked), com chaveamento Q (Q-switched), ou simplesmente como um amplificador óptico.

10. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 9,

15 caracterizado pelo fato de que, quando operado em regime contínuo (cw) ou de modos acoplados (mode-locked), o referido laser ainda compreende uma cavidade ótica externa que é usada como referência de freqüência para estabilizar a freqüência do laser.

20 11. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que para um laser cw, sua cavidade ótica é compacta o bastante de forma que suas variações de comprimento, induzidas por vibrações ou por variação de temperatura, são

25 comparáveis ou menores que o comprimento de onda do laser.

12. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7, 8, 9, 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que operação em freqüência única é atingida quando a operação unidirecional

30 é obtida pela reinjeção da luz do segundo feixe pelo

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4/8 prisma-espelho de saída.

13. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o maior comprimento linear da cavidade ótica do laser é
5 menor que 20 cm.

14. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a cavidade ótica do laser é construída com materiais de baixos coeficientes de expansão térmica tais como INVAR,

10 silica fundida, ou outros.

15. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a cavidade ótica do laser é construída em uma estrutura monolítica ou monobloco.

15 16. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos um espelho pode ser curvo ou plano.

17. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de

20 que o meio ativo de estado sólido tem faces cortadas no ângulo de Brewster.

18. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que os ângulos de incidência nos espelhos curvos são

25 tais que compensam o astigmatismo gerado por cada face de Brewster do cristal, de forma a produzir um feixe laser não astigmático.

19. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de

30 que o meio ativo é um material de estado sólido tal como

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Ti:safira, Cr:LiSAF, Cr:LiSGaF, Cr:LiCaF, Alexandrita, Cr:

Forsterita, Yb:YAG, Nd:YAG, ou Nd:YVC>4, entre outros.

20. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 19,

5 caracterizado pelo fato de que um laser de Nd:YVC>4, Yb:YVC>4, Nd:YAG ou Yb:YAG duplicado em frequência, é usado como laser de bombeamento (10) óptico.

21. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 19,

10 caracterizado pelo fato de que o meio ativo de estado sólido é um cristal de Ti:safira ou Cr:LISAF curto (menor que 5 mm) , e com dopagem tal que absorva ao menos 60% da potência do laser de bombeamento (10).

22. Laser de cavidade de geometria plana em anel,

15 de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a cavidade ótica do laser é montada sobre uma placabase metálica ou de outro material.

23. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato

20 de que a placa-base tem uma temperatura estabilizada.

24. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 22, caracterizado pelo fato de que os materiais empregados para os suportes dos elementos ópticos da cavidade ótica do laser e da placa

25 base possuem baixos coeficientes de expansão térmica, de forma que o comprimento da cavidade seja estável dentro de meio comprimento de onda do laser.

25. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8,

30 caracterizado pelo fato de que uma grade de Bragg

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6/8 volumétrica (volume Bragg grating) é empregada como elemento seletivo em freqüência ou filtro de freqüência.

26. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7, 8 ou 25,

5 caracterizado pelo fato de que uma grade de Bragg volumétrica (volume Bragg grating) é empregada para atingir oscilação em freqüência única.

27. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7, 8, 25 ou

10 26, caracterizado pelo fato de que a grade de Bragg volumétrica é refletora, transmissora ou possui variação de período (chirped grating).

28. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7, 8, 25, 26

15 ou 27, caracterizado pelo fato de que a grade de Bragg é girada ou transladada para selecionar um único modo longitudinal, cujo comprimento de onda é medido ou calibrado por um analisador de espectro ou medidor de comprimento de onda (wavemeter).

20 29. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 28, caracterizado pelo fato de que a rotação ou translação da grade de Bragg é feita por um motor-servo (servo, ou servo motor) , o qual é acionado por um computador, microcontrolador,

25 microprocessador ou processador digital de sinais.

30. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 29, caracterizado pelo fato de que o computador, microcontrolador, microprocessador ou processador digital de sinais armazena os ângulos como

30 funções dos comprimentos de onda, de forma que a sintonia

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7/8 para um determinado comprimento de onda seja feita eletronicamente pelo usuário.

31. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8,

5 caracterizado pelo fato de que dois etalons finos são empregados para obter oscilação de freqüência única.

32. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que a posição angular dos dois etalons é controlada por

10 um galvanômetro ou um motor-servo.

33. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 32, caracterizado pelo fato de que o galvanômetro é controlado analogicamente ou o motor-servo é controlado digitalmente por um computador,

15 microprocessador, microcontrolador ou controlador digital de sinais.

34. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com a reivindicação 31, caracterizado pelo fato de que dois etalons tem espessuras levemente diferentes

20 tais que seus respectivos picos de transmissão coincidem em intervalos de frequência grandes e de vários TeraHertz, propiciando portanto a seleção de um único modo longitudinal, particularmente para lasers de grande largura de banda como o Ti:safira ou Cr:LISAF.

25 35. Laser de cavidade de geometria plana em anel, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que um filtro birrefringente e um etalon fino são empregados para atingir oscilação em freqüência única.

30 36. Laser de cavidade de geometria plana em anel,

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8/8 de acordo com a reivindicação 35, caracterizado pelo fato de que a posição angular do etalon é controlada por um galvanômetro ou um motor-servo.

37. Laser de cavidade de geometria plana em anel, 5 de acordo com a reivindicação 36, caracterizado pelo fato de que o galvanômetro é controlado analogicamente ou o motor-servo é controlado digitalmente por um computador, microprocessador, microcontrolador ou controlador digital de sinais.

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