ES2199462T3 - Detector optico activo. - Google Patents
Detector optico activo.Info
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Abstract
Detector óptico caracterizado porque comprende: - una fuente láser (1) de clase B que emite un haz (3) a una primera frecuencia óptica; - un medio (4) que interactúa con el haz (3) para proporcionar una radiación (5) a frecuencia óptica modificada, siendo el desplazamiento entre la primera frecuencia y la frecuencia modificada próximo a una frecuencia de relajación del láser; - un medio (6) para irradiar una zona elegida de un medio a estudiar por la radiación a la frecuencia modificada; - un medio (6; 6¿, 12¿¿) para inyectar en el láser luz reflejada por la zona elegida; - un medio (9, 14, 15, 16) para detectar la perturbación aportada a la emisión láser por la luz reinyectada.
Description
Detector óptico activo.
La presente invención se refiere a un detector
óptico y más particularmente a un detector óptico activo que emite
un haz luminoso en una zona a estudiar y que analiza la luz
reflejada o transmitida por esta zona.
Un objeto más particular de la presente invención
es prever un detector de este tipo que funcione incluso cuando una
zona de un medio a estudiar refleja o transmite solamente una
parte muy pequeña de la luz recibida.
Así, la presente invención se aplica en
particular a la detección de obstáculos o de intercaras en unos
medios difusores, por ejemplo unos medios orgánicos.
La presente invención prevé los casos en que la
luz reemitida es difícilmente detectable por los procedimientos
clásicos que utilizan por ejemplo sistemas de sombreador y de
detección síncrona.
La presente invención prevé reinyectar en un
láser una luz reemitida a una frecuencia desplazada con respecto a
la frecuencia de emisión del láser, utilizando un tipo de láser
específico, a saber un láser de clase B que, cuando se reinyecta en
el mismo luz a una frecuencia desplazada en un valor
correspondiente sensiblemente a una frecuencia propia o frecuencia
de relajación de este láser, produce un haz láser modulado,
correspondiendo la amplitud de la modulación a un factor del orden
de 10^{3} a 10^{6} con respecto a una detección heterodina
clásica.
Más particularmente, la presente invención prevé
un detector óptico que comprende una fuente láser de clase B que
emite un haz a una primera frecuencia óptica; un medio que
interactúa con el haz para proporcionar una radiación de frecuencia
óptica modificada, siendo el desplazamiento entre la primera
frecuencia y la frecuencia modificada próximo a una frecuencia de
relajación del láser; un medio para irradiar una zona elegida de un
medio a estudiar por la radiación a la frecuencia modificada; un
medio para inyectar en el láser luz reflejada por la zona elegida;
y un medio para detectar la perturbación aportada en la emisión
láser por la luz reinyectada.
Según un modo de realización de la presente
invención, este detector comprende unos medios de barrido de la
zona a estudiar.
Según un modo de realización de la presente
invención, este detector comprende unos medios de barrido en
frecuencia de la radiación emitida por el láser.
Según un modo de realización de la presente
invención, el medio de irradiación está constituido por un
objetivo.
Según un modo de realización de la presente
invención, el medio de detección comprende un fotodetector seguido
de un sistema de detección síncrona.
Según un modo de realización de la presente
invención, el medio para proporcionar una radiación de frecuencia
óptica modificada consiste en un medio que posee un efecto
electro-óptico o acusto-óptico excitado por un oscilador a una
frecuencia que corresponde a la diferencia entre la frecuencia
óptica modificada y la primera frecuencia óptica o uno de sus
submúltiplos.
Esos objetos, características y ventajas, así
como otras de la presente invención serán expuestos en detalle en
la descripción siguiente de modos de realización particulares dada
a título no limitativo en relación con las figuras anexas, entre las
cuales:
la figura 1 representa esquemáticamente y en
forma de bloques un primer modo de realización de la presente
invención;
la figura 2 representa esquemáticamente y en
forma de bloques un segundo modo de realización de la presente
invención;
la figura 3 representa esquemáticamente y en
forma de bloques un tercer modo de realización de la presente
invención.
Como representa la figura 1, la presente
invención utiliza un láser 1 de clase B bombeado ópticamente o
eléctricamente. En el modo de realización representado, se utiliza
un bombeo óptico simbolizado por una bomba óptica 2. El haz 3
emitido por el láser atraviesa un modulador óptico 4 que tiene por
efecto proporcionar de salida un haz láser 5 que comprende por lo
menos una parte de la energía incidente desplazada en frecuencia de
una frecuencia F y/o de uno o varios de sus múltiplos enteros. El
haz láser 5 con su o sus frecuencias desplazadas es enviado sobre
un sistema óptico 6 que proporciona un haz 7 reorientado y
enfocado en un punto 8 de un medio 9. La luz de retorno reemitida
por reflexión y/o retrodifusión a partir del punto de enfoque es
retransformada por el objetivo 6 en un haz que vuelve al láser 1
cuyo funcionamiento es afectado de una forma que será expuesta a
continuación.
\newpage
El modulador 4 es mandado por un oscilador 11 que
funciona a una frecuencia F. Una parte del haz emitido por el
láser es reflejado por una separadora 12 hacia un fotodetector 13
seguido preferentemente por un amplificador 14 del cual se detecta
la salida preferentemente por un circuito de detección síncrona 15
que permite la detección de la señal recibida a la frecuencia F
(y/o a un múltiplo de esta frecuencia). El detector síncrono 15
está conectado a un dispositivo de provisión de información 16, por
ejemplo un sistema de visualización.
El funcionamiento del detector según la presente
invención se basa, como se ha indicado anteriormente, en la
utilización de un láser de clase B. Un láser de este tipo, cuya
definición científica es que se trate de un láser para el cual la
duración de vida de la inversión de población del medio
amplificador es mayor que la duración de vida de la cavidad láser,
puede ser un láser con semiconductor o un láser de sólido.
El láser puede estar equipado con uno o varios
elementos ópticos que permiten una selección y/o un barrido de la
o de las frecuencias ópticas. El láser puede emitir una sola
frecuencia óptica (láser monomodo) o varias frecuencias ópticas
(láser multimodo), La emisión del láser puede ser polarizada o no.
Este láser puede ser bombeado por un láser llamado de bomba si el
bombeo debe ser óptico. El bombeo puede también ser eléctrico como
es el caso generalmente para los láseres de semiconductores. La zona
de las frecuencias ópticas emitida por el láser 2 está adaptada a
las respuestas ópticas de los medios a analizar o a detectar.
Un láser de clase B presenta la particularidad de
que, cuando se reinyecta en él luz a una frecuencia modificada
desplazada en una frecuencia F (o un múltiplo de una frecuencia F)
próximo a la frecuencia propia o frecuencia de relajación del láser,
se produce una modulación de la intensidad luminosa a la
frecuencia F. Esto equivale a una amplificación de la potencia
reinyectada en un factor que puede, según el láser, y según la
regulación de la frecuencia de desplazamiento ser del orden del
10^{3} a 10^{6}.
El desplazador de frecuencia óptica 4 permite
generar a partir de un haz luminoso emitido por el láser a una
frecuencia óptica, llamada frecuencia portadora, uno o varios haces
ópticos 5 a una o varias frecuencias ópticas desplazadas en
frecuencia. Este desplazamiento en frecuencia se realiza a una
frecuencia F y/o a sus múltiplos enteros. El desplazamiento de
frecuencia puede ser positivo y/o negativo.
El desplazamiento de la frecuencia óptica puede
realizarse con la ayuda de una modulación de amplitud o de una
modulación de frecuencia o de fase de la onda emitida por el
láser. La modulación de amplitud puede realizarse con la ayuda de un
modulador que posee un efecto electro-óptico o elasto-óptico. La
modulación de la frecuencia o de fase puede realizarse con la
ayuda de un medio que posea un efecto electro-óptico.
Uno o varios de estos elementos ópticos pueden
ser móviles o permitir una desviación o una traslación del haz
óptico.
El sistema óptico puede incluir uno o varios
filtros ópticos que permiten filtrar o atenuar la luz inyectada en
el láser.
La separadora 12 tiene por objetivo extraer una
parte del haz 3 enviado sobre el objeto a medir para desviarla
hacia el fotodetector 13. Se observará que esta separadora puede
ser selectiva en frecuencia óptica o en polarización óptica.
Las figuras 2 y 3 representan unas variantes del
dispositivo de la figura 1. En estas variantes, los mismos
elementos están designados por las mismas referencias.
La figura 2 representa un sistema muy similar al
de la figura 1 pero en el cual la separadora 12 (dispuesta entre
el láser y el modulador 4 en la figura 1) está remplazada por la
separadora 12' dispuesta al otro lado del láser, por ejemplo entre
el láser y la bomba óptica en la figura 2.
La figura 3 representa otra variante del sistema
en el cual el sistema de retrodifusión o de reflexión de luz está
reemplazado por un sistema de transmisión. La luz es enviada hacia
el medio estudiado de la misma manera que ha sido expuesta
anteriormente por un láser 1, un modulador 4 y un objetivo 6. La
luz 7' que ha atravesado el medio es recogida por un objetivo 6'
que da una imagen del punto de enfoque y esta luz es reinyectada en
el láser por una separadora 12''.
Se describirá más particularmente a continuación
la utilización del detector según la presente invención en el modo
por retrodifusión o reflexión tal como se ha ilustrado en relación
con las figuras 1 y 2. El experto en la materia podrá adaptar sin
dificultades estas explicaciones al modo de funcionamiento por
transmisión tal como se ha ilustrado en la figura 3.
Si, por ejemplo, se busca identificar (ver figura
1) un cuerpo 20 que presenta con un medio difusor 9 una intercara
cuyo coeficiente de difusión/reflexión es distinto que el del
medio difusor, se regula el objetivo 6 en distancia hasta que se
observa un pico de luz reemitida y se sabe entonces que se
encuentra a nivel de la intercara. Se podrán prever diversos
medios de desplazamiento según las direcciones x, y y z y en
rotación para proporcionar una imagen del cuerpo 20.
Puede también ocurrir que las intercaras o unas
deshomogeneidades del medio presenten unas variaciones de
difusión/reflexión particularmente marcadas en ciertas longitudes
de onda. Se puede entonces prever un láser 1 con longitud de onda
variable y modificar la regulación del láser para adaptarse a la
longitud de onda a nivel de la cual la detección es susceptible de
ser más elevada. Este podrá en particular ser utilizado para
detectar la presencia o la ausencia de un gas en un medio, para
constituir por ejemplo un detector de fuga de gas.
Desde luego, la presente invención es susceptible
de diversas variantes y modificaciones que aparecerán al experto en
la materia. En particular, el generador de radiofrecuencia puede
suministrar dos frecuencias F1 y F2 y la desmodulación puede
realizarse sobre una combinación de estas dos frecuencias, por
ejemplo F1-F2.
Por otra parte, los diversos trayectos ópticos,
en particular entre el láser 2 y el objetivo 6, pueden realizarse
por fibras ópticas y la invención puede ser adaptada a unos
sistemas de tipo endoscopio.
La detección por reinyección selectiva con un
láser de clase B puede hacerse múltiplex utilizando por
ejemplo:
- -
- varios módulos conectados por unas fibras ópticas al sistema óptico 6;
- -
- una varilla con una o dos dimensiones de láseres de clase B desplazados en las mismas frecuencias ópticas y una varilla de fotodetectores con una o dos dimensiones;
- -
- una varilla con una o dos dimensiones de láseres de clase B desplazados por diferentes frecuencias ópticas, y un fotodetector seguido de un desmodulador que asegura una desmodulación a las diversas frecuencias.
Aunque esto no forme parte integrante de la
presente invención, se darán a continuación a título de indicación
diversos cálculos y ecuaciones que permiten comprender mejor el
fenómeno utilizado por la presente invención. Sin embargo, esto no
debe ser considerado como una limitación de la presente
invención.
El principio del procedimiento puede ser
comprendido en términos de modulación de la ganancia del láser,
modulación inducida por la reinyección de una parte del haz láser
desplazado en frecuencia. Esta modulación de la ganancia resulta de
una interacción entre el campo eléctrico E_{L} que oscila en la
cavidad del láser y del campo eléctrico reinyectado E_{L,S}
desplazado en una frecuencia F.
Las ecuaciones más generales para describir la
dinámica del sistema son las ecuaciones del láser inyectado (ver
por ejemplo A. E. Siegmann, Lasers, ed. University Science
Books, 1986).
En el caso en que el láser es un láser de clase
B, las ecuaciones se llevan al sistema de ecuaciones
siguiente:
\frac{dN}{dt} = \frac{N_{0}-N}{T_{1}} -
B|E_{L}|^{2}N(1)
\frac{dE_{L}}{dt} = \frac{BE_{L}N}{2} -
\frac{E_{L}}{2T} + \frac{1}{T} E_{L,S} cos(\Psi_{L}(t) + \Phi_{L,S}
(t))(2)
\frac{d\Psi_{L}}{dt} = \omega_{L} -
\omega_{L,S} - \frac{1}{T} \frac{E_{L,S}}{E_{L}} sen(\Psi_{L}(t) +
\Phi_{L,S}(t))(3)
donde:
N es la inversión de población,
T_{1} es la duración de vida de la inversión de
población,
\Psi_{L} es la diferencia de fase entre los
campos eléctricos E_{L} y E_{L,S},
\Phi_{L,S} es la fluctuación de fase de la luz
reinyectada en la cavidad,
\omega_{L} es la frecuencia óptica del campo
eléctrico E_{L} en la cavidad,
\omega_{L,S} es la frecuencia óptica del campo
eléctrico E_{L,S} reinyectado en la cavidad del láser,
T es la duración de vida de los fotones en la
cavidad,
B es el coeficiente de Einstein.
En el sistema según la invención, en el cual la
reinyección es baja y la relación m_{S}=E_{L,S}/E_{L} es
pequeña, el segundo término de la ecuación (3) puede ser
despreciado. En el caso de un láser inyectado en una fuente
exterior, esto viene a decir que el láser se encuentra fuera de la
zona de enganchado definida por:
\frac{\Delta\omega}{2\pi} = \frac{1}{T}
\frac{E_{L,S}}{E_{L}}
Integrando la ecuación (3), se obtiene
\Psi (t) = (\omega_{L} - \omega_{L,S})
t+C = 2\pi Ft +
C
en la que C es una constante de
integración.
El campo eléctrico reinyectado en la cavidad del
láser se obtiene escribiendo:
E_{L,S}(t) =
\frac{m_{s}}{2}E_{L}(t-t_{d})
en la que t_{d} es el tiempo de ida y vuelta de
la onda emitida y reinyectada en el láser. Siendo este tiempo
t_{d} corto con respecto a la inversa de la frecuencia F, se
desprecia este retardo puro. En estas condiciones, poniendo la
intensidad luminosa en la cavidad láser I_{L}=|E_{L}|^{2} y,
utilizando las variables reducidas
siguientes:
\tau = t/T_{1}; n = BTN; \alpha =
N_{0}BT
s = BT_{1}I; \gamma =
T_{1}/T,
se obtiene el sistema de ecuaciones
siguiente:
\frac{ds}{d\tau} = \gamma
(n-1)s + \gamma sm_{s} cos(2\pi Ft +
\Phi_{L,S}(t))(4)
\frac{ds}{d\tau} = \alpha - n -
ns(5)
en las que s describe la intensidad del láser y n
la inversión de población. Este sistema describe bien un láser
para el cual la ganancia o las pérdidas son
moduladas.
En ausencia de reinyección, los valores
estacionarios de la intensidad y de la inversión de población son
respectivamente:
s_{st} = \alpha - 1 y n_{st} =
1
Para una reinyección muy baja (m_{s}<<1)
las ecuaciones (4) y (5) resultan:
\frac{d\Delta n}{dt} = -\alpha\Delta n -
\Delta
s
\frac{d\Delta s}{dt} = \gamma s_{st}
\Delta n + \gamma m_{s}s_{st} cos(2\pi Ft +
\Phi_{L,S}(t))
en las que \Deltan y \Deltas son
respectivamente la variación de la inversión de población y de la
intensidad luminosa en el proximidad de los valores estacionarios
n_{st} y
s_{st}.
Eliminando la inversión de población, se obtiene
la ecuación que describe la modulación de la intensidad luminosa
emitida por el láser
\frac{d^{2}\Delta s}{dt^{2}} + \alpha
\frac{s\Delta s}{dt} + \gamma (\alpha - 1) \Delta s = \gamma (\alpha
- 1) m_{s} [\alpha cos(2\pi Ft + \Phi_{L,S}) – 2\pi Fsen
(2\pi Ft +
\Phi_{L,S})]
La resolución de esta ecuación da la expresión de
la amplitud de la modulación de la intensidad luminosa emitida por
el láser reinyectado en función del desplazamiento de frecuencia
F.
\Delta s(\Omega) = \frac{\sqrt{\Omega^{2}
+ \alpha^{2}}}{\sqrt{(\omega^{2}_{0} - \Omega^{2}) + \alpha^{2}
\Omega^{2}}} \gamma (\alpha -
1)m_{s}
con \Omega = 2\piF y \omega^{2}_{0} =
\gamma (\alpha - 1).
Esta función tiene una resonancia para F =
\frac{\sqrt{\gamma (\alpha - 1)}}{2\pi}
El porcentaje de modulación de la luz pasa
entonces por un máximo que es
\frac{|\Delta s(\Omega =
\omega_{0})|}{s_{st}} = \frac{\sqrt{\omega^{2}_{0} +
\alpha^{2}}}{\alpha \omega_{0}} \gamma m_{s} \approx
\frac{\gamma}{\alpha}
m_{s}
Esta señal de modulación es del orden de 10^{3}
veces más importante que para la señal que se obtiene con la ayuda
de una detección heterodina clásica (sin amplificación por el
láser) en el caso en que el láser es un diodo láser, y de 10^{6}
para un láser de sólido del tipo microláser. Son estos
coeficientes de amplificación muy elevados (10^{3} a 10^{6})
que constituyen el interés del sistema según la invención.
Claims (6)
1. Detector óptico caracterizado porque
comprende:
- -
- una fuente láser (1) de clase B que emite un haz (3) a una primera frecuencia óptica;
- -
- un medio (4) que interactúa con el haz (3) para proporcionar una radiación (5) a frecuencia óptica modificada, siendo el desplazamiento entre la primera frecuencia y la frecuencia modificada próximo a una frecuencia de relajación del láser;
- -
- un medio (6) para irradiar una zona elegida de un medio a estudiar por la radiación a la frecuencia modificada;
- -
- un medio (6; 6', 12'') para inyectar en el láser luz reflejada por la zona elegida;
- -
- un medio (9, 14, 15, 16) para detectar la perturbación aportada a la emisión láser por la luz reinyectada.
2. Detector óptico según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende unos medios de barrido de la
zona a estudiar.
3. Detector óptico según la reivindicación 1,
caracterizado porque comprende unos medios de barrido en
frecuencia de la radiación emitida por el láser.
4. Detector óptico según la reivindicación 1,
caracterizado porque el medio de irradiación (6) está
constituido por un objetivo.
5. Detector óptico según la reivindicación 1,
caracterizado porque el medio de detección comprende un
fotodetector (9) seguido de un sistema de detección síncrona
(15).
6. Detector óptico según la reivindicación 1,
caracterizado porque el medio (4) para proporcionar una
radiación a frecuencia óptica modificada consiste en un medio con
efecto electro-óptico o acusto-óptico excitado por un oscilador a
una frecuencia que corresponde a la diferencia entre la frecuencia
óptica modificada y la primera frecuencia óptica o uno de sus
submúltiplos.
Applications Claiming Priority (2)
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