ES2230260T3 - Compensacion de los efectos opticos de tipo termico. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la compensación de los efectos ópticos de tipo térmico dentro del camino óptico de un dispositivo, que comprende un componente óptico; procedimiento éste que está caracterizado porque, a efectos de la compensación óptica, dentro del camino óptico son empleados- en su interacción- por lo menos dos elementos ópticos (13a, 13b, 16; 30a - 30d, 41a - 41c/39; 50a, 50b, 51; 67a - 67d, 72), que son distintas propiedades de material y, para la compensación, sobre los diferentes elementos (13a, 13b, 16; 30a - 30d, 41a - 41c/39; 50a, 50b, 51; 67a 67d, 72) son distribuidos: Un calentamiento mediante la absorción de rayos; una conducción calorífica para la generación de una distribución de la temperatura, la cual esté en función de la potencia; así como una dispersión térmica para la generación de una lente térmica.

Description

Compensación de los efectos ópticos de tipo térmico.

Campo de aplicación

La presente invención se refiere a un procedimiento para la compensación de los efectos ópticos de tipo térmico, conforme a lo indicado en el preámbulo de la reivindicación de patente 1); y se refiere a una unidad óptica para el procedimiento, según lo indicado en el preámbulo de la reivindicación de patente 4); como asimismo se refiere a un dispositivo óptico, conforme a lo indicado en el preámbulo de la reivindicación de patente 10).

Estado actual de la técnica

Al ser calentados unos elementos ópticos, se modifican, por regla general, las propiedades ópticas de los mismos (índice de refracción; contornos exteriores), lo cual tiene por consecuencia unas variaciones en el frente de fases de un rayo, que es conducido dentro de un tal elemento (lente térmica; birrefringencia). Estos efectos ópticos de tipo térmico son extremadamente perturbadores, sobre todo en los osciladores ópticos de alto rendimiento, habida cuenta de que los mismos perjudican la calidad de radiación del rayo láser de gran potencia, que ha de ser generado (deformación del rayo; birrefringencia de tensión; desviaciones de los rayos; etc., etc.,). El efecto térmico de la lente y las aberraciones ópticas son producidos, dentro del medio óptico, a causa de unas distribuciones anisótropas de la temperatura.

Un ejemplo para la eliminación de los efectos térmicos ópticos, sobre todo en los resonadores de láser de CO_{2} de alto rendimiento que trabajan de manera continua - está indicado en la publicación de A. V. Kudryashov "Intracavity Laser Beam Control" (Control de los rayos Láser dentro de cavidades), en la Conferencia SPIE II sobre resonadores de Láser, San José, California, páginas 32 hasta 40; 1999. En este caso, la compensación es efectuada de una manera activa mediante una llamada óptica de adaptación. Esta óptica de adaptación representa un espejo, cuyos contornos de superficie pueden ser ajustados dentro del camino óptico plegado por el interior del resonador. El ajuste es llevado a efecto con unas cerámicas piezo-eléctricas, que pueden ser activadas de forma eléctrica. Para una regulación de la activación, resulta que una reducida parte de la radiación de partida es desacoplada para ser conducida por un diafragma y ser pasada sobre un sensor térmico. A continuación, y en función de la potencia de radiación recibida, los individuales elementos de espejo son activados, por medio de un circuito de regulación y de tal manera que se produzca una deformación especular, que pueda compensar las deformaciones de las superficies de los otros componentes ópticos, un ajuste de adaptación análogo de una superficie especular en un camino óptico plegado por el interior de un resonador está descrito en la publicación de L. Flath. J.An, J. Base C. Varrano, C.B.Dane, S.Fochs, R. Hurd M. Kartz y R. Sawvel "Development of Adaptive Resonator Tecniques for High-Power Lasers" (Desarrollo de técnicas de adaptación de resonadores para láser de gran potencia) de la Conferencia "Workshop on Adaptive Optics for Industry and Medicine" (Taller sobre ópticas de adaptación para industria y medicina), Durham (Gran Bretaña); páginas 163 - 168; 12 hasta 16 Julio de 1999.

La deformación de un espejo de resonador de láser a efectos de la compensación está descrita en la publicación de N. Kugler. A. Vázquez, H. Laabs y H. Weber "High-Power Solid-State Laser with Birefringence Compensation and Adaptive Resonator Mirror" (Láser de estado sólido de gran potencia con compensación de birrefringencia y espejo de resonador de adaptación) de la Conferencia "Workshop on Adaptive Optics for Industry and Medicie", Durham (Gran Bretaña), páginas 149 - 154, 12 hasta 16 de Julio de 1999.

En lugar de modificar, mediante un control activo, las curvaturas de las superficies de los componentes ópticos, sobre todo de los espejos, para la compensación de los efectos en el elemento activo, dentro del resonador de Láser las lentes también pueden ser desplazadas por el eje del resonador. Los dispositivos de este tipo están descritos en la publicación de St. Jackel, I. Moshe y R. Lavi "High Performance Oscillators Employing Adaptive optics Comprised of Discrete Elements" (Osciladores de alto rendimiento empleando elementos ópticos de adaptación constituidos por elementos discretos) en la conferencia SPIE II sobre resonadores de Láser, San José, California, páginas 42 - 49; 12 hasta 16 de Julio de 1999.

También existe la posibilidad de una combinación de varios elementos dentro de un resonador de láser, los cuales pueden ser controlados en cuanto a su efecto óptico. De este modo, por ejemplo, según la publicación de I. Mopshe y S. Jackel "Enhanced Correction of Thermo-Optical Aberrations in Laser Oscillators" (Perfeccionada corrección de aberraciones termo-ópticas en osciladores de láser en la Conferencia SPIE II sobre resonadores de láser, San José, California, páginas 181 - 186, 12 hasta 16 de Julio de 1999, una lente - cuya distancia con respecto al espejo del resonador de láser puede ser ajustada de una manera regulada - está dispuesta por delante y por detrás del medio activo, cada vez con un rotor de Faraday.

A través de la Patente Alemana Núm. DE - A 197 14 175 se conoce una compensación de una lente térmica en un medio de láser, la cual es efectiva dentro de toda la gama de la capacidad de bombeo. La compensación de la lente térmica se ha conseguido por el hecho de que una parte de la luz de bombeo es empleada con una variación en la potencia, incluso con un medio activo, bombeado en el sentido longitudinal, con el fin de proporcionar un correspondiente elemento óptico, que pueda compensar la lente térmica dentro del medio activo. Este elemento es ó un espejo de acoplamiento modificado ó un elemento introducido adicionalmente, que actúa como una lente con una distancia focal negativa (que es, sin embargo, positiva en el caso de una lente térmica negativa dentro del medio de láser). Como tal elemento también podría ser empleado un apropiado medio gaseiforme ó líquido, que se encuentra dentro de una cubeta adecuada. Aparte de la radiación de luz bombeada, para la compensación también podría ser pasada por un elemento correspondiente del resonador una parte de la generada potencia de láser.

El dispositivo, descrito en la Patente Núm. A - 3 434 779 de los Estados Unidos, sirve para mantener constante una potencia de láser; en este caso, este mantenimiento es conseguido por la aplicación de unos efectos térmicos ópticos.

Para esta constancia es empleada una célula de nitrobenceno, que ensancha un rayo láser - radiado hacia el interior de la misma - en función de la potencia de radiación. Este rayo ensanchado incide luego sobre un diafragma, que solamente deja pasar la zona central del rayo.

En la publicación de R. Koch "Self-adaptive optical elements for compensation of thermal lesing effectsin diode end-pumped solid state lasers - proposal and preliminary experiments" (Elementos ópticos de auto-adaptación para la compensación de los efectos de lentes térmicas en rayos láser de estado sólido de bombeo final de diodos - propuesta y experimentos preliminares), en la Revista "Comunicaciones Opticas" N°. 140 (15 de Julio de 1977); páginas 158 hasta 164, está descrita una compensación de los efectos de lentes térmicas dentro del resonador de láser. La compensación es efectuada por medio de un espejo de resonador, cuyo sustrato de espejo absorbe la radiación del bombeo y tiene un mayor coeficiente de dilatación térmica positiva. Como otra posibilidad para una compensación es indicada una placa con un recubrimiento antireflectante, la cual tiene un mayor coeficiente térmico negativo del índice de refracción.

Otros ejemplos más están descritos en las Patentes de los Estados Unidos Núms. A - 5 386 427; A - 5 751 750; A - 3 662 281; A - 3 609 584; A - 3 577 098 y A - 4 848 881.

Problema de la presente invención

La presente invención tiene el objeto de proporcionar una compensación de las anteriormente descritas modificaciones ópticas, que son producidas por unos gradientes de temperatura radiales en los componentes ópticos; compensación ésta que ha de ser mucho más eficiente en comparación con las compensaciones según el estado actual de la técnica.

Solución del problema

De acuerdo con la presente invención, este objeto se consigue por el hecho de que - a diferencia del estado actual de la técnica las distintas funciones de la absorción (calentamiento mediante la absorción de rayos), de la conducción calorífica radial (para la generación de una distribución de temperatura en función de la energía) y de la dispersión térmica (para la generación de una lente térmica) son distribuidas ahora sobre los diferentes elementos, es decir, sobre varios elementos con distintas propiedades de material. En contraposición al estado actual de la técnica, es así que ahora no todas las funciones tienen que ser realizadas por un mismo elemento.

A diferencia del estado actual de la técnica, aquí es llevada a efecto una transmisión térmica directa a través de un contacto íntimo entre un componente óptico y el medio de compensación. De forma preferente, existe el empeño de conseguir, tanto en el componente óptico como dentro del medio de compensación, aproximadamente una misma distribución radial del calor.

Como medio de compensación pueden ser empleados los materiales, que no pueden transmitir unos esfuerzos de cortadura mecánica ó sólo pueden transmitir unos esfuerzos de cortadura mecánica desdeñablemente reducidos. Los materiales de este tipo son los líquidos, los geles y los gases. No obstante, también pueden ser empleados unos medios elásticos (cuerpos sólidos). En el caso de los cuerpos sólidos, se ha de tener en cuenta, sin embargo, que las superficies, puestas juntas entre si, estén ópticamente de una manera estrecha juntas, con preferencia estén en contacto íntimo entre si. Con ello no deben presentarse unos efectos ópticos de las superficies.

Este tipo de compensación puede ser aplicado para muchos componentes ópticos; el mismo es empleado, sin embargo, de manera preferente en los aparatos de láser, sobre todo de láser de gran potencia, en los cuales es deseada una buena calidad de radiación.

En el camino óptico de un dispositivo óptico - que puede ser, por ejemplo, un oscilador de láser ó un amplificador de láser - es introducida una unidad óptica para la compensación de los efectos térmicos ópticos dentro del camino óptico, originados por los componentes ópticos existentes en este camino. Esta unidad óptica, que se encuentra dentro del camino óptico, posee por lo menos dos elementos ópticos, que tienen unas distintas propiedades de material y los mismos actúan eficazmente en interacción a efectos de la compensación; elementos éstos sobre los cuales pueden ser distribuidos - para esta compensación y de forma preferente con una distinta influencia - un calentamiento mediante la absorción de rayos; una conducción calorífica para la generación de una distribución de temperatura en función de la energía; así como una dispersión térmica para la generación de una lente térmica.

Uno de los elementos tiene un espacio de compensación óptica, que está llenado - sobre todo llenado por completo - con un medio de compensación ópticamente transparente. Por ambos lados del espacio de compensación están dispuestos - como el otro elemento con una absorción de rayos - unos cuerpos sólidos con transparencia óptica. El medio de compensación establece, con los cuerpos sólidos, dispuestos por ambos lados, un contacto térmico tan estrecho que quede asegurada una buenas transmisión calorífica desde los cuerpos sólidos hacia el medio de compensación. El espacio de la compensación óptica puede estar constituido ahora solamente por el medio de compensación al tratarse de un cuerpo sólido ó bien de un gel; no obstante, este espacio de compensación puede ser, asimismo, una cámara que ha de ser llenada con el medio de compensación, al tratarse de un líquido ó de un gel más fluido.

Con preferencia, el espacio de compensación óptica está realizado de tal modo, que el mismo se pueda extender de forma vertical al eje óptico del camino óptico. Al ser la unidad óptica introducida en un resonador de láser, los componentes del oscilador ó del amplificador están realizados, por regla general, de forma cilíndrica circular, y una refrigeración es efectuada por la circunferencia. Por consiguiente, también el espacio de compensación será realizado de forma simétrica radial al eje del camino óptico, y se adaptará la extensión del espacio de compensación - la cual es radial en relación con el eje óptico del camino óptico - a la extensión de los cuerpos sólidos colindantes. De manera preferente, son iguales entre si las dimensiones radiales del espacio de compensación ó del medio de compensación y las dimensiones del colindante cuerpo sólido.

Los cuerpos sólidos, directamente colindantes con el medio de compensación, se sujetan con preferencia en un soporte fijador refrigerante que, de forma preferente, circunda toda la envolvente del cuerpo sólido con un contacto íntimo del calor. Gracias a ello, se consigue una forma de realización, que ahorra espacio y que facilita un buen rendimiento.

Al ser empleado - como medio de compensación un material que no transmite ningún esfuerzo de cortadura mecánica, de forma preferente puede estar previsto un espacio de expansión que está unido con el espacio de compensación y dentro del cual el medio de compensación puede efectuar - al producirse una impulsión térmica una compensación de volúmenes. Un espacio de expansión de este tipo será empleado en especial para un medio de compensación líquido ó fluido. En el caso de un volumen pequeño del medio de compensación, algunas veces será suficiente incluso una pequeña burbuja de gas. Al ser empleados unos medios de compensación sólidos y no fluidos, se puede prescindir de un espacio de expansión, habida cuenta de que la dilatación térmica es pequeña. En este caso, la todavía existente pequeña dilatación empuja ligeramente contra los colindantes componentes ópticos.

Tal como anteriormente indicado, un dispositivo óptico con una unidad óptica de este tipo está realizado preferentemente como un resonador de láser ó como un amplificador de láser con el objeto de producir, por ejemplo, unas elevadas potencias de salida de láser, con una buena calidad del rayo. A este efecto, el medio activo está dividido en unos medios parciales. Entre estos medios parciales, y como elemento óptico, un espacio de compensación que está llenado del medio de compensación - está previsto como otro elemento óptico para la unidad óptica; en este caso, cada medio parcial actúa como un cuerpo sólido de la unidad óptica, el cual es de una transparencia óptica. Como medio de compensación pueden ser empleados aquí también los medios sólidos y los medios fluidos. Para unos medios fluidos se tendrá previsto, en este caso, un espacio de compensación, en el cual puede ser introducidos los mismos. Al tratarse de unos medios sólidos, el propio medio es fabricado con las necesarias medidas del espacio.

Las ventajas de la presente invención y los campos de aplicación de la misma pueden ser apreciados en la descripción relacionada a continuación.

Breve descripción de los planos adjuntos

A continuación, se explican algunos ejemplos para la realización del procedimiento de la presente invención así como el objeto de la invención, los cuales están representados en los planos adjuntos, en los que:

La Figura 1 muestra la vista esquematizada de un resonador de láser como el dispositivo óptico que posee una unidad óptica de compensación;

La Figura 2 indica una variante de construcción de lo indicado en la Figura 1; en este caso, el medio activo de láser está dividido en unos elementos parciales, y la compensación óptica es llevada a efecto directamente entre los elementos;

La Figura 3 muestra una variante de los ejemplos de realización indicados en las Figuras 1 y 2; mientras que

La Figura 4 indica una variante del dispositivo óptico, indicado en la Figura 3; en este caso, sin embargo, se han previsto varios elementos de la compensación óptica.

Formas para la realización de la invención

El resonador de láser 1, que en la Figura 1 está indicado como un ejemplo, está estructurado como un resonador simétrico, con dos espejos paralelos, 3a y 3b. Dentro del resonador de láser 1 están dispuestas una barra de láser 5 como el medio activo; dos lentes 7a y 7b, así como la unidad óptica 9 según la presente invención.

Tal como queda indicado de manera esquematizada mediante las flechas 11a y 11b, la barra de láser 5 es bombeada ópticamente en el sentido transversal. A causa de este bombeo, la barra de láser 5 es calentada por su parte interior. La misma, sin embargo, es enfriada por su lado exterior. Por consiguiente, dentro de la barra de láser 5 se constituye un gradiente de temperatura, es decir, que se ha formado una llamada lente térmica. La fuerza de refracción de esta lente térmica varía en función de la energía de bombeo, irradiada al interior de la lente, así como de la producida radiación de láser, lo cual conduce, a su vez, a unas variaciones en la forma de oscilación del resonador de láser para luego ejercer cierto efecto sobre la oscilación del resonador de láser para luego ejercer cierto efecto sobre la producida potencia de radiación y sobre los modos de la misma. Un comportamiento de estas características es sumamente perjudicial.

Según el resonador de láser 1, bosquejado en la Figura 1, las dos lentes, 7a y 7b, son empleadas - a efectos de una óptima heterodinación de la lente térmica dentro de la barra de láser 5 con una respectiva unidad 9 para cada lente.

En este caso, la unidad 9, empleada para la compensación térmica, se compone de dos barras cilíndricas, 13a y 13b, de transparencia óptica y enfriadas lateralmente, como asimismo se compone de un estrecho espacio de compensación 15, con un medio de compensación 16. Este espacio de compensación 15 se extiende de forma vertical al eje óptico del camino, que es producido por la barra de láser 5. Como tal medio de compensación puede ser aplicado un líquido ó un gel. Como materiales de compensación pueden ser utilizados el agua, el agua deuterizada ó unos líquidos y geles ópticos como, por ejemplo, y preferentemente para la zona espectral visible, las sustancias OCF-446; OCF-452; OCF-463; OC-431 A-LVP; OC-440; OC-459; OC-462; OCK-433 ú OCK-451. Estos productos son fabricados, por ejemplo, por la Firma Comercial Nye Optical Product. Otro material de compensación es una silicona "SYLGARD 182", de la Firma Comercial Dow Corning. Para la zona espectral con unas ondas más largas, la cual está situada a continuación de la zona visible, se emplearán con preferencia unos geles ó unos líquidos completamente deuterizados, clorados y fluorados. Es evidente que también pueden ser aplicados otros líquidos ó geles. También pueden ser utilizados unos gases con las apropiadas propiedades, tanto ópticas como térmicas (índice de refracción, dispersión térmica). Las ventajas del empleo de los líquidos ó geles consisten en una muy pronunciada dispersión térmica negativa (dn/dT) así como en la ausencia de una doble refracción térmicamente inducida, teniendo en cuenta que no se pueden presentar unos gradientes de presión originados por una dilatación térmica. Estos medios de compensación no transmiten ningún esfuerzo de cortadura mecánica. Para la compensación volumétrica - en el caso de ser el medio de compensación impulsado térmicamente - está previsto un espacio de dilatación 19.

Por fuera, las barras, 13a y 13b, así como el medio de compensación 16 son enfriados a través de un soporte fijador 17. Como el material para la barra se recomienda el vidrio ó, mejor aún un cristal de doble refracción para así evitar una despolariación por inducción térmica. El empleo de un cristal de doble refracción para la barra, 13a y 13b, es de gran ventaja, sobre todo al ser la barra de láser 5 asimismo de doble refracción. En este caso, los ejes ópticos del cristal han de estar alineados entre si.

El calentamiento del medio de compensación 16 es efectuado ahora, en una reducida parte proporcional, por la absorción de una parte pequeña de la radiación de láser transmitida (absorción residual) y, por otra parte, a causa de la transmisión térmica desde las barras colindantes, 13a y 13b, hacia el interior del medio de compensación 16. Las barras son calentadas, a su vez, por la absorción de una pequeña parte de la radiación de láser, que atraviesa las mismas. Existe, no obstante, también la posibilidad de irradiar adicionalmente, calor de forma transversal desde una fuente de calor. Con el objeto de que también por el interior del medio de compensación 16 se puede formar una lente - en función de la potencia así como apropiada para una compensación - dentro de este medio tiene que ser ajustada una distribución de la temperatura, la que también debe estar en función de la potencia ó de la intensidad. Esto exige, sin embargo, que la conducción térmica tenga lugar esencialmente de forma transversal del material hacia fuera (de forma transversal al eje 14 de la difusión de la radiación). Sobre todo al tratarse de unos medios de compensación más estrechos en dirección de la difusión de la radiación, un enfriamiento, efectuado principalmente por medio de las superficies frontales, conduciría a que una incipiente distribución de la temperatura pueda ser influenciada sobre todo por la distribución de la intensidad del rayo transmitido, y tan sólo en una medida más reducida por la potencia del mismo. En la unidad 9, este proceso queda impedido por el hecho de que el medio de compensación se encuentra dispuesto entre las barras, 13a, y 13b, que son de una refrigeración radial y que son calentadas a causa de una muy reducida absorción del rayo láser transmitido. La deseada distribución de la temperatura, la que tiene que estar en función de la potencia, se produce ahora a causa de los procesos de un calentamiento, de una refrigeración y de una transmisión térmica, tanto dentro de las barras, 13a y 13b, como asimismo en el medio de compensación 16, y esta distribución es transmitida hacia el medio de compensación 16 a través de un contacto calorífico.

En lugar de calentar solamente las barras, 13a y 13b, el calentamiento también puede ser efectuado a través de una reducida absorción de la radiación dentro del medio de compensación 16. Con independencia del hecho de que este calentamiento sea efectuado principalmente mediante una absorción dentro del medio de compensación 16 ó bien en las barras, 13a y 13b, se produce - gracias al contacto calorífico desde el medio de compensación 16 hacia las barras colindantes, 13a y 13b, así como debido a la refrigeración radial de estas barras, 13a y 13b - la deseada lente, que está en función de la potencia. En contraposición al estado actual de la técnica, aquí resulta que las distintas funciones de la absorción (calentamiento), de la transmisión térmica radial (para generar una distribución de la temperatura, la cual esté en función de la potencia) y de una dispersión térmica (para constituir la lente térmica) son distribuidas sobre unos distintos elementos con diferentes propiedades de material, y estas funciones no han de ser realizadas todas por un mismo elemento.

Por una mezcla de distintas sustancias (por ejemplo, agua y agua pesada) así como por la selección de un espesor apropiado d del espacio de compensación 15 pueden ser optimadas la intensidad de la lente, que se produce, así como, dado el caso, la absorción.

Como consecuencia de una refrigeración de la circunferencia de las barras, 13a y 13b - con un soporte fijador 17, que circunda las barras y el que asimismo enfría el medio de compensación 16 por fuera - se presenta una distribución de la temperatura, la cual está en función de la potencia y la que se reduce en el sentido radial; distribución ésta que, a causa de la dispersión térmica del media de compensación 16, conduce a la formación de una lente que también está en función de la potencia. Debido a la más reducida medida del espesor d del espacio de compensación 15 es así, que la distribución de la temperatura dentro del medio de compensación 16 es más ó menos igual a la distribución de la temperatura dentro de las barras colindantes, 13a y 13b.

De forma preferente, el medio de compensación 16 y las barras, 13a y 13b, son de un mismo índice de refracción. Con ello se consigue que por las superficies límites entre las superficies frontales de las barras y el medio de compensación 16 no se pueda presentar ninguna reflexión de tipo Fresnel, y que la deformación a causa de la dilatación térmica de las barras, 13a, y 13b, no pueda ejercer ningún efecto sobre la lente. Es evidente que las reflexiones de tipo Fresnel podrían ser suprimidas mediante un recubrimiento antireflectivo, lo cual trae consigo, sin embargo, un encarecimiento de la unidad 9. Los líquidos y geles arriba mencionados son especialmente apropiados, habida cuenta de que el índice de refracción de los mismos puede ser ajustado.

El espacio de compensación 15 puede tener dos superficies límites planas paralelas entre si (superficies frontales de las barras, 13a y 13b). No obstante, asimismo puede estar prevista una conformación especial con el fin de que sean compensadas por adaptación también las más elevadas aberraciones de la lente térmica, las cuales se presentan dentro de la barra de láser 5.

Por una dispersión térmica lo suficientemente elevada en el medio de compensación 16, el espesor d del espacio de compensación 15 puede ser elegido de una manera tan pequeña, que no se produzca ninguna convección. Es así, concretamente, que una convección conduciría a unas regiones del vidrio con distintos índices de refracción. Esta convección también puede ser impedida por una apropiada selección de la viscosidad, lo cual puede ser efectuado en los materiales arriba mencionados por medio de unos aditivos adecuados.

En la Figura 1, se han indicado datos con respecto a la disposición de los componentes individuales. La barra de láser 5 es aquí de Nd:YAG; con un índice de refracción de n_{L} = 1,82; con una longitud L_{L} = 50 mms., y con un diámetro de 4 mms. Una superficie frontal de la barra de láser 5 guarda, con respecto á un espejo de resonador 3a, una distancia axial de Z - L_{L}/2n_{L}. Z es la distancia entre el espejo de resonador 3a - ó bien 3b - y el plano principal de la lente térmica. La magnitud de Z influye en la magnitud de modos y en el ámbito de seguridad del resonador de láser 1. Z = 80 mms. La distancia focal F de cada lente, 7a y 7b, es de 100 mms. La unidad óptica 9 tiene una longitud axial L_{K} de 20 mms. Las barras, 13a y 13b, están hechas de vidrio, con un índice de refracción de n_{K} = 1,5 y con un espesor de 4 mms. El espesor d del espacio de compensación 15 es menor de 1 mm. Como medio de compensación 16 se ha empleado aquí el OCF-446.

Al ser elegido el espesor d de una forma esencialmente mayor, ha de ser incrementada asimismo la viscosidad del medio de compensación ó bien debe ser empleado un cuerpo sólido, con el objeto de que no se pueda producir ninguna convección con la formación de unas regiones de vidrio con distintos índices de refracción.

Un mayor trayecto Z tiene por efecto un mayor diámetro de modos de la producida radiación de láser y, por ende, una mayor calidad en el rayo, lo cual puede ser conseguido a través de un lente adicional, que está posicionada dentro del resonador. Las distancias Z entre los espejos de resonador, 3a y 3b, respectivamente, y el plano principal de la lente térmica no tiene porque ser elegida de la misma forma a la izquierda y a la derecha del resonador 1. Tampoco tienen que estar realizadas de forma plana los espejos de resonador, 3a y 3b; los mismos también pueden ser de una forma arqueada. En este caso, se trata solamente de una de las muchas variantes en la realización; en este sentido, pueden ser variados todos los componentes ópticos.

Existe, naturalmente, también la posibilidad de que las barras 13a y 13b, tengan una sección transversal realizada de forma rectangular; en la forma de un paralelepípedo ó de un polígono regular ó irregular. Los contornos de la sección transversal también pueden variar por toda la longitud de la barra. La longitud de la barra puede ser mayor que la medida transversal de la misma, pero puede ser también claramente más reducida que ésta ultima (como, por ejemplo, en el caso de un disco delgado).

En lugar de una barra de cuerpo sólido 5, como el medio activo también puede ser empleado otro medio amplificador (un tubo de descarga (láser de vidrio) un líquido (láser de colorante), etc., etc.). La compensación de los efectos ópticos térmicos tampoco está limitada a los resonadores de láser; la misma también puede ser aplicada a unos mecanismos, que se basan en los procesos ópticos no lineales (duplicación de frecuencia; amplificación paramétrica y oscilación, etc.).

En la Figura 2 está indicada otra variante para la realización de un resonador de láser 29; en este caso, una barra de láser ha sido dividida en varias barras parciales más pequeñas, 30a hasta 30d, entre las cuales es efectuada entonces una compensación. De forma análoga a lo indicado en la Figura 1, una unidad óptica, 34a hasta 34c, para la compensación se compone ahora de los respectivos cuerpos sólidos de transparencia óptica y colindantes entre si, es decir, de las barras parciales, 30a y 30b; 30b y 30c así como 30c y 30d. En este caso, entre las caras frontales de las colindantes barras parciales se encuentra dispuesto el medio de compensación 39. Estas barras parciales, 30a hasta 30d, están provistas por fuera de una refrigeración 31 que enfría, al mismo tiempo, el medio de compensación 39 dentro de las unidades de compensación, 34a hasta 34c, con los soportes fijadores 35 de las mismas. Los espejos de resonador están indicados aquí con 37a y 37b, respectivamente.

A causa del calentamiento dentro de las barras de láser y debido al refrigeración lateral, en las barras parciales, 30a hasta 30d, se produce una distribución de la temperatura, la cual está en función de la potencia, y se constituye, por consiguiente, una lente térmica positiva, que también está en función de la potencia. Esta distribución de la temperatura dentro de las barras parciales, 30a hasta 30d, se transmite - debido al contacto térmico entre las superficies frontales de estas barras parciales, 30a hasta 30d - sobre el medio de compensación, aquí indicado con la referencia 39. Como consecuencia, dentro de los espacio de compensación, 41a hasta 41c, se constituye - a causa del medio de compensación, que se encuentra en este lugar - una lente térmica negativa, que compensa la lente térmica positiva de las barras parciales, 30a hasta 30c. A este efecto, dentro del medio de compensación no hace falta una absorción de la radiación de láser ni una radiación de bombeo. No obstante, también puede ser incluida aquí una absorción controlada de la luz de bombeo ó de la radiación láser dentro del medio de compensación. Es así, por regla general, que todos los medios realizan una absorción.

De forma preferente, para las barras de láser es empleado un material intrisicamente de doble refracción como, por ejemplo, el Nd:YVO_{4}. En este caso, ni en las barras parciales, 30a hasta 30c, ni dentro del medio de compensación se puede producir una perturbadora doble refracción inducida térmicamente. El eje óptico de las barras parciales, 30a hasta 30c, es alineada de forma vertical al eje 43 del resonador. Con el fin de determinar una eventual asimétrica de la lente térmica, la cual pueda ser originada por la anisotropía del material de las barras parciales, 30a hasta 30c, estas barras parciales están dispuestas de tal manera que, en las colindantes barras parciales, los ejes ópticos estén girados entre si por cada vez 90 grados. En este caso, y de forma adicional, entre las individuales barras parciales, 30a hasta 30c, la polarización de la radiación láser transmitida también puede ser girada en 90 grados por medio de unos apropiados elementos ópticos. De esta manera puede ser optimada la amplificación de la radiación láser (anisotropía de los cristales). Como una alternativa, también pueden estar realizadas, adicionalmente, de forma arqueada las superficies frontales de las barras parciales. Al no producirse ninguna doble refracción, se han de emplear unos rotadores de cuarzo.

Aquí el espesor de los espacios de compensación, 41a hasta 41c, está realizado preferentemente por debajo de 1 mm. (0,5 mm, hasta 1 mm.). La longitud de las barras parciales puede ser de algunos milímetros hasta algunos centímetros, con un diámetro típico de la barra de 4 mms. La medida Z será fijada normalmente entre los 20 mms. y los 100 mms.

Lo que más arriba ha sido indicado con respecto a la transmisión térmica ó conducción calorífica así como en cuanto a la geometría de las barras, 13a y 13b, debe ser aplicado, en el mismo sentido, también para las barras parciales, 30a hasta 30d.

En las Figuras 1 y 2 está indicado un bombeo transversal de la barra láser, 5 y 30a hasta 30d, respectivamente. Es evidente que también puedan ser empleados un bombeo longitudinal u otros mecanismos para la impulsión descarga de gas; impulsión por alta frecuencia; impulsión por gas; impulsión electrónica; impulsión eléctrica; cañón de electrones; etc., etc.,) del medio de láser.

En las Figuras 3 y 4 está representada una variante de realización de la forma de disposición óptica, indicada en las Figuras 1 y 2. Las variantes aquí mostradas son más sencilla en su estructura mecánica. Las mismas pueden ser empleadas tanto para unos materiales de compensación fluidos como para unos materiales de compensación no fluidos. A continuación, se describe un ejemplo del empleo para unos materiales de compensación no fluidos.

En la Figura 3 está indicado un resonador de láser 47, que es de forma análoga el resonador de láser de la Figura 2.

Sin embargo, este resonador de láser 47 tiene comparado con el resonador de láser 29 - unas diferencias esenciales. Como unidad 49, que compensa los efectos térmicos, es empleado aquí un cuerpo sólido, con preferencia un material elástico como la goma, concretamente el antes mencionado gel de dos componentes OCK-433, en su estado endurecido.

Dentro del resonador de láser 47 está dispuesta - como el medio activo - una doble barra de láser, 50a/50b; en este caso, las dos barras, 50a y 50b, se encuentran separadas entre si a través de la unidad de compensación 49. La unidad de compensación 49 posee un medio compensador 51 - aquí el endurecido gel OCK-433 - que está rodeado por un manguito transparente 53, en el cual está introducidas las respectivas partes extremas, 54a y 54b, de las dos zonas extremas de las barras, 50a y 50b. Este endurecido gel OCK-433 sirve, por un lado, como el medio de compensación y, por el otro lado, también como un adhesivo (endurecido), que le confiere a todo el conjunto una sujeción estable. El manguito 53 está fabricado, por ejemplo, de zafiro. El zafiro es transparente y tiene una muy buena conductibilidad calorífica. Teniendo en consideración que las barras de láser, 50a y 50b, tienen, por regla general, una sección transversal de forma circular, asimismo este manguito 53 está realizado con una sección transversal de forma circular. Aquellas partes extremas, 55a y 55b, de las barras de láser, 50a y 50b, las cuales no están introducidas en el manguito 53, se encuentran cogidas - de forma análoga al dispositivo de la Figura 2 - en un soporte fijador 57. Las dos barras láser 50a y 50b, así como el manguito 53 están dispuestos dentro de un tubo transparente 60, que está lleno de un líquido refrigerante 59 y el mismo también está cogido por este soporte fijador. Las dos barras láser, 50a y 50b, y el manguito 53 están refrigerados por sus superficies laterales - mediante el líquido refrigerante 59. Tal como esto ha sido indicado por medio de las dos flechas P, las dos barras, 50a y 50b, están siendo bombeadas ópticamente en el sentido transversal. Los dos espejos de resonador, 62a y 62b, están dispuestos de forma vertical al eje óptico 61 del resonador así como de una manera distanciada de las caras frontales exteriores, 63a y 63b, de las barras.

Es de gran importancia un muy buen contacto calorífico entre las superficies frontales de las bases y el medio de compensación 51. Al ser empleado, por ejemplo, un gel de dos componentes de tipo OCK-433, éste puede ser aplicado, entre las superficies frontales de las barras, aún en su estado líquido. A continuación, el gel se endurece y se realiza así un buen contacto calorífico.

Al ser utilizado unos medios compensadores elásticos como goma, los mismos pueden ser apretados a través de las colindantes barras de láser, 50a y 50b, y por medio del soporte fijador.

Al ser empleado - en lugar de un material elástico como la goma un material con un mayor módulo de elasticidad, las superficies frontales y las asignadas superficies del medio compensador han de ser fabricadas de una manera adaptada entre si, de tal modo que no pueda presentar ningún "paso de aire"; debería de ser efectuado un zunchado entre las dos superficies colindantes. En relación con el calentamiento (absorción); con la conducción calorífica radial (para la generación de una distribución de la temperatura, la cual está en función de la potencia) así como con respecto a la dispersión térmica (para la generación de la lente térmica), se han de aplicar para este dispositivo los mismos criterios como para los dispositivos anteriormente descritos.

La Figura 4 muestra otra variante más para la realización, la que está estructurada de forma análoga a la variante indicada en la Figura 3. Aquí, sin embargo, el medio activo está dividido en cuatro barras, 67 hasta 67d, que se encuentran en alineación entre si. El eje óptico de las barras de láser, 67a hasta 67d, coincide con el eje óptico 69 del resonador de láser 70. La dos barras centrales, 67b y 67c, están realizadas con la misma longitud; así mismo las dos barras exteriores, 67a y 67d, tienen una misma longitud. Sin embargo, cada una de las barras exteriores, 67a y 67d, es de solamente la mitad de la longitud de cada una de las dos barras centrales, 67a y 67c. Para la compensación de los efectos térmicos ópticos están previstas, además, tres unidades de compensación, 71a, 71b y 71c, que se componen de un medio compensador 72 y de un manguito 73. La forma de disposición con respecto a las superficies frontales de las barras de láser está realizada de manera análoga a la forma de realización indicada en la Figura 3. También aquí es así que las barras de láser, 67a hasta 67d, y los manguitos 73 de las unidades, 71a hasta 71c, están siendo refrigerados - de forma análoga a lo indicado en la Figura 3 - mediante un líquido 76, que fluye a través de un tubo transparente 75. Un soporte fijador 77 - previsto para el tubo 75 y para el dispositivo de las barras de láser, 67a hasta 67d, con las unidades, 71a hasta 71c - corresponde al soporte fijador 57, que está indicado en la Figura 3.

Al tener que ser producidas unas más elevadas potencias de salida de los rayos láser, se emplearán, por regla general, también unas barras de láser más largas. A través de una división en varias barras de láser, en comparación con la forma de disposición de la Figura 3,se consigue así una mejor compensación térmica óptica.

Para las barras de láser, 50a y 50b así como 67a hasta 67d, se ha de aplicar lo mismo que se indica en relación con las barras de láser, 30a hasta 30c.

Por regla general, una barra de láser produce - como consecuencia de ciertas circunstancias ópticas y de tipo térmico - una doble refracción, inducida térmicamente, por lo que para la componente de radiación polarizada en el sentido radial es producida un más bajo índice de refracción que para la componente de radiación polarizada de forma tangencial. Ahora bien, según los ejemplos de realización arriba comentados, este medio compensador de cuerpo sólido es elegido de tal manera que, al producirse un calentamiento, se presente un efecto inverso.

Tal como ya mencionado el principio, para el dispositivo óptico, representado en las Figuras 3 y 4, también puede ser empleado en lugar del gel de dos componentes de tipo OCK-433 - un líquido como el medio de compensación. En este caso, para la compensación volumétrica será prevista, de forma preferente, una pequeña burbuja de gas, que no perturbe el camino óptico. No obstante, puede ser prescindido también de una tal compensación volumétrica.

Al ser empleado, como medios de compensación, unos cuerpos sólidos, es decir, unos materiales ó sustancias no fluidos, se pueden prescindir de los manguitos, 53 y 73, respectivamente, siempre que el medio compensador se comporte de forma inerte en relación con el líquido refrigerante.

Claims (10)

1. Procedimiento para la compensación de los efectos ópticos de tipo térmico dentro del camino óptico de un dispositivo, que comprende un componente óptico; procedimiento éste que está caracterizado porque, a efectos de la compensación óptica, dentro del camino óptico son empleados- en su interacción - por lo menos dos elementos ópticos (13a, 13b, 16; 30a - 30d, 41a - 41c/39; 50a, 50b, 51; 67a - 67d, 72), que son distintas propiedades de material y, para la compensación, sobre los diferentes elementos (13a, 13b, 16; 30a - 30d, 41a - 41c/39; 50a, 50b, 51; 67a - 67d, 72) son distribuidos: Un calentamiento mediante la absorción de rayos; una conducción calorífica para la generación de una distribución de la temperatura, la cual esté en función de la potencia; así como una dispersión térmica para la generación de una lente térmica.

2. Procedimiento conforme a la reivindicación 1) y caracterizado porque uno de los elementos ópticos (13a, 13b, 16; 30a - 30d, 41a - 41c/39; 50a, 50b, 51; 67a - 67d, 72) es introducido, como medio compensador ópticamente transparente (16; 39; 51; 72) dentro del camino óptico (14; 43; 61, 69) por ambos lados y es puesto en contacto con un cuerpo sólido (13a, 13b; 30a -30d; 50a, 50b; 67a - 67d) - que también es de transparencia óptica - como un elemento adicional, y este elemento adicional (13a, 13b; 30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d) tiene una absorción de rayos que es previamente determinada; a este efecto, el modelo de calentamiento radial del mismo es impuesto - por el contacto con el medio de compensación (16; 39; 51; 72) y para la compensación de los efectos ópticos de tipo térmico - sobre el otro componente óptico (5, 7a, 7b; 30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d) ó sobre los cuerpos sólidos colindantes (13a, 13b; 30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d).

3. Procedimiento conforme a la reivindicación 2), sobre todo para la compensación de los efectos ópticos de tipo térmico dentro de un resonador de láser; procedimiento éste que está caracterizado porque este otro elemento adicional tiene una absorción previamente determinada para la radiación de láser dentro del camino óptico, preferentemente para la radiación de luz bombeada y, de forma preferente, el medio compensador (16; 39; 51; 72) y los colindantes cuerpos sólidos (13a, 13b; 30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d) son enfriados por su circunferencia - sobre todo a una misma distancia radial del eje (14; 43; 61, 69) del camino óptico, preferentemente de una manera circundante - a una misma temperatura.

4. Unidad óptica (9, 34a - 34c; 49; 71a - 71c), que puede ser colocada en el camino óptico (14; 43; 61; 69) de un dispositivo óptico (1; 29; 47, 70) y está prevista para la compensación de los efectos ópticos de tipo térmico de unos componentes ópticos (5, 7a, 7b, 30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d) dispuestos dentro del camino óptico del dispositivo y la que está prevista para la realización del procedimiento conforme a una de las reivindicaciones 1) hasta 3); unidad óptica ésta que está caracterizada por el menos dos elementos ópticos (13a, 13b, 16; 30a - 30d, 41a - 41c; 50a, 50b, 51; 72) dentro del camino óptico, los que trabajan eficazmente en interacción para una compensación y los cuales tienen unas distintas propiedades de su material; sobre estos elementos pueden ser distribuidos, a efectos de la compensación, un un calentamiento mediante la absorción de rayos; una conducción calorífica para la generación de una distribución de la temperatura, la cual esté en función de la potencia; así como una dispersión térmica para la generación de una lente térmica; y esto, de forma preferente, con un efecto diferenciado (13a, 13b, 16; 30a - 30d, 39; 50a, 50b, 51; 72).

5. Unidad óptica conforme a la reivindicación 4) y caracterizada porque uno de los elementos tiene un espacio de compensación óptica (15; 41a - 41c; 49; 71a - 71c), que está llenado sobre todo llenado por completo - de un medio compensador ópticamente transparente (16; 39; 51; 72), y esta unidad posee - como otro elemento adicional con una absorción de los rayos - unos cuerpos sólidos (13a, 13b; 30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d), que son de una transparencia óptica y que están dispuestos por ambos lados del espacio de compensación (15; 41a - 41c) y con los cuales el medio compensador (16; 39; 51; 72) guarda un contacto térmico que es tan estrecho, que quede asegurada una buena transmisión térmica desde estos cuerpos sólidos (13a, 30b; 30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d) hacia el medio compensador (16; 39; 51; 72).

6. Unidad óptica (9; 34a - 34c; 49; 71a - 71c) conforme a la reivindicación 5) y caracterizado porque el espacio de compensación (15; 14a - 41c) se extiende de forma vertical al eje óptico (14; 43) del camino óptico, sobre todo en una forma de realización que es simétrica y radial al eje del camino óptico.

7. Unidad óptica (9; 34a - 34c; 49; 71a - 71c) conforme a las reivindicaciones 5) ó 6) y caracterizada porque la extensión del espacio de compensación (15; 41a-41c), la cual es radial al eje óptico (14; 43; 61, 69) del camino óptico, está adaptada a la extensión de los colindantes cuerpos sólidos (13a, 13b; 30a; 30d; 50a, 50b; 67a - 67d), y con preferencia esta extensión es elegida de una misma forma.

8. Unidad óptica (9; 34a - 34c) conforme a una de las reivindicaciones 5) hasta 7) y caracterizada porque los cuerpos sólidos (13, 13b; 30a - 30d), que están directamente colindantes con el medio de compensación (16; 39), se encuentran cogidos por un soporte fijador refrigerante (17; 35) que, de forma preferente circunda completamente toda la envolvente del cuerpo sólido (13a, 13b; 30a - 30d) con un íntimo contacto calorífico.

9. Unidad óptica (9; 34a - 34c) conforme a una de las reivindicaciones 5) hasta 8) y caracterizada - como el medio compensador por un material, que no transmite ningún esfuerzo de cortadura; así como caracterizada por un espacio de expansión (19), que se encuentra en comunicación con el espacio de compensación (15; 41a - 41c) y por cuyo interior este medio compensador (16; 39) puede efectuar una compensación volumétrica al producirse una impulsión térmica.

10. Dispositivo óptico (29; 47; 70) con una unidad óptica (9; 34a - 34c; 49; 71a - 71c) conforme a una de las reivindicaciones 4) hasta 9), previsto para la generación ó para la amplificación de una radiación con por lo menos un medio óptico activo (30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d); dispositivo éste que está caracterizado porque este medio activo está dividido en unos medios parciales (30a - 30d; 50a 50b; 67a - 67d) y entre estos medios parciales (30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d) se encuentra dispuesto, como elemento óptico, un espacio de compensación (41a - 41c) - como otro elemento de la unidad óptica (34a- 34c; 49; 71a - 71c) - el cual está llenado de un medio compensador (39; 51, 72); así como caracterizado porque cada medio parcial (30a - 30d; 50a, 50b; 67a - 67d) actúa como un cuerpo sólido de la unidad óptica (34a - 34c, 49; 71a - 71c), el cual es ópticamente transparente.