ES2248582T3 - Fuente delaser de frecuencia estabilizada. - Google Patents
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Abstract
Una fuente de láser estabilizada en frecuencia que se caracteriza por el hecho de que está compuesta por: - un láser de estado sólido (10) bombeado de forma óptica que permite la transmisión de un primer haz de láser (2) de frecuencia (f1); - una célula de absorción (7) que contiene un elemento químico de absorción, y que, al funcionar, está atravesada por el primer haz de láser(2) o por un haz (4b) desviado de tal forma que una transición (T) del elemento químico de absorción está saturada; - los medios de trabadura (9), concebidos para trabar la frecuencia (f1) del primer haz de láser sobre dicha transición (T) saturada con el elemento químico, por medio de una detección sincrónica basada en una modulación de dicha transición; dichos medios (9) de trabadura incluyen un solenoide (90) que rodea la célula de absorción (7) y que se alimenta de tal modo que crea un campo magnético modulado en amplitud, y de esta forma permite que la señal de absorción generada por dicho elemento químico de absorción sea modulada sin interrupción en el espacio de desplazamiento de los sub-niveles de energía de dicho elemento químico de absorción; para que el haz de láser, transmitido de esta forma, esté compuesto por un único componente del espectro, con una precisión de estabilización que no sobrepasa los 2 MHz.
Description
Fuente de láser de frecuencia estabilizada.
El presente invento trata de una fuente de láser
de frecuencia estabilizada, compuesta por un láser de estado sólido
y adaptado a ser utilizada como patrón de frecuencia, especialmente
en el campo de las telecomunicaciones.
El desarrollo muy rápido de las redes de
telecomunicaciones locales, tipo LAN, y de las redes de
telecomunicaciones de más alcance, tipo WAN, nos lleva a la
necesidad, cada vez más importante, de anchura de banda. Para
satisfacer esta necesidad de anchura de banda de las redes de
telecomunicación, existe una solución técnica empleada actualmente
con frecuencia, que se basa en el desarrollo de las redes de
múltiplex en longitud de onda (WDM). En este múltiplex en longitud
de onda, se transportan varias señales (o canales) de forma
simultánea por una fibra óptica, pero a diferentes longitudes de
onda.
De la transmisión óptica por múltiples canales
(WDM) surgen dos problemas importantes. El primero reside en la
creación y la extracción de cada canal con un coste razonable y sin
perdida de información. El segundo problema está vinculado a la
amplificación óptica del conjunto de los canales, sin la distorsión
y/o perdida de información. Estos problemas aumentan según el
número de canales usados.
Una primera solución técnica empleada actualmente
para seleccionar los canales (de múltiplex o
no-múltiplex) es un método pasivo de filtrado en
frecuencia, basado en la utilización de redes de Bragg.
Actualmente, aunque se controla bastante bien la
tecnología de redes de Bragg, y que tiene un coste razonable, el
método presenta ciertas limitaciones físicas (la estabilidad en el
tiempo de la longitud de onda de Bragg, la sensibilidad al medio
ambiente exterior, en especial a la temperatura,...) que resultan
problemáticas, sobre todo donde la densidad de canales es alta.
Una segunda técnica que se puede emplear para
evitar los problemas vinculados al uso de las redes de Bragg es un
método activo de tratamiento de información, basado en una
detección heterodina. La aplicación de este método, al discriminar
de manera precisa cada canal, presupone que se dispone de patrones
de frecuencia, en forma de fuentes de láser
mono-modales longitudinales, con una pureza de
espectro muy buena, de poco volumen y que se puede integrar en los
ventanales de la telecomunicación, donde la frecuencia está
perfectamente estable y las frecuencias de transmisión son
altamente conocidas y pueden ser posicionadas en los distintos
emplazamientos de la red de telecomunicación (de transmisión y de
recepción). En la práctica, y teniendo en cuenta que las longitudes
de ondas empleadas actualmente en el campo de las
telecomunicaciones, estas fuentes de láser deben de permitir la
transmisión de un haz luminoso coherente a una longitud de onda de
1.56 \mum. Se puede tener cerca más longitudes de onda de
diferentes canales, cuanto más precisa sea la fuente, y de esta
forma se permite aumentar de manera sensible la anchura de banda
total.
Hoy en día en el campo de las telecomunicaciones
por medio de la fibra óptica, las fuentes de láser más usadas
aplican los haces luminosos como medio de transmisión, un láser
tipo semiconductor, y, en particular, un diodo láser. Se puede
encontrar una enorme gama de diodos láser en el mercado. Las
ventajas de estos diodos son su modo de empleo sencillo y su
compacidad. Sin embargo, un inconveniente de estos diodos láser es
la mala definición de longitud de onda de transmisión (la
fluctuación de la longitud de onda a lo largo del tiempo, bajo la
influencia de parámetros exteriores como la temperatura, las
deformaciones mecánicas, el envejecimiento,...) que hace que los
diodos láser posean un nivel muy bajo de calidad o de agudeza del
espectro.
Recientemente se ha propuesto realizar una fuente
de láser con un láser de estado sólido
Erbio-Yterbio, estabilizado en frecuencia alrededor
de 1.5 \mum. Esta fuente de láser está descrita en el artículo:
C, SVELTO et al.: "Frequency Stabilization of a Novel 1.5
Er-Yb Bulk Laser to a ^{39}K
sub-Doppler Line at 770.1 nm", IEEE revista de
la Electrónica Quántica, abril 2001, IEEE, USA, Tomo 37, número 4,
páginas 505-510.
Se realiza la estabilización en frecuencia de la
fuente de láser descrita en este artículo, al trabar la frecuencia
del haz luminoso sobre una transición (T) de un elemento químico de
absorción (en este caso el Rubidio). Precisamente, se preconiza
efectuar esta trabadura aplicando una detección sincrónica basada
en una modulación de la frecuencia del haz de láser liberado por el
láser de estado sólido (ver párrafo V.
WAVELENGTH-MODULATION SPECTROSOCOPY AND
FREQUENCY-LOCKING EXPERIMENT). Resulta que la
frecuencia del haz de láser liberado por el láser de estado sólido
oscila permanentemente, y entonces no está perfectamente fijada. La
fuente láser de estado sólido descrita, aún cuando está
estabilizada en frecuencia, no obstante no está adaptada para poder
realizar un patrón de frecuencia, por el hecho de la fluctuación
permanente de su frecuencia.
Desde otro punto de vista, en el documento, entre
otros, US 5,553 087, de estabilizar en frecuencia un diodo láser
por medio de una aplicación del efecto Zeeman, es decir por medio
de la modulación de las transiciones ópticas de los átomos de un
elemento de absorción, en un bucle de trabadura con
retro-acción sobre la corriente del diodo láser.
Otro inconveniente mencionado anteriormente, tratando de este tipo
de láser (mala definición de longitud de onda de transmisión, mala
calidad del espectro), que los hace totalmente inadecuados a ser
empleados en calidad de patrón en el campo de las
telecomunicaciones, dado que este tipo de estabilización presenta
varios inconvenientes. Si el elemento de absorción no está
saturado, es imposible posicionarlo correctamente sobre una raya de
absorción dada, y que permanezca allí. Da como resultado una
variación permanente de la frecuencia del haz de láser transmitido,
y por consiguiente ofrece una muy mala precisión de la
estabilización de la frecuencia, que se queda en alrededor de
varios cientos de MHz.
El objetivo principal del presente invento es de
presentar, en el campo de los láseres sólidos, una nueva fuente
láser de frecuencia estabilizada, que ofrece una agudeza del
espectro alrededor de MHz, y está adaptada a ser empleada como
patrón de frecuencia.
Otro objetivo del invento es el de presentar una
nueva fuente láser de frecuencia estabilizada, que esté adaptada a
ser empleada como patrón de frecuencia en el campo de las
telecomunicaciones.
Otro objetivo del invento es el de presentar una
nueva fuente láser de frecuencia estabilizada, que permita la
transmisión de una irradiación mono-modal
transversal para procurar facilitar el acoplamiento de la onda
electromagnética con las fibras ópticas y las guías de ondas
dominantes.
Otro objetivo del invento es el de presentar una
nueva fuente láser de frecuencia estabilizada, que permita la
transmisión de una irradiación mono-modal
longitudinal y la obtención de una buena agudeza del espectro.
La solución del invento consiste en realizar una
fuente láser con una combinación de las características técnicas de
la Reivindicación 1. Entonces, la solución del invento está basada
en una trabadura de la frecuencia del haz de láser, liberada por un
láser de estado sólido sobre una transición de un elemento químico
de absorción, donde tal trabadura combina de forma ventajosa un
funcionamiento por absorción saturada (la saturación de dicha
transición por el haz al atravesar el elemento químico de absorción)
y una detección sincrónica basada en una modulación de dicha
transición saturada. De este modo se obtiene un haz de láser
mono-frecuencia, donde la frecuencia de salida está
fijada en comparación con la fuente láser anteriormente descrita de
Svelto et al., es decir, donde la frecuencia no está en
permanencia modulada, y donde la frecuencia es mucho más precisa
que la frecuencia obtenida con un funcionamiento en absorción
simple. La fuente láser está, entonces, perfectamente adaptada a
realizar un patrón de frecuencia.
Otras ventajas y características del invento
aparecerán de forma más clara al leer la siguiente descripción de
dos variantes del invento, donde la descripción es un ejemplo
no-limitativo, y con referencia a los dibujos
adjuntos, donde:
- la Figura 1 es una representación esquemática
de una primera variante de una fuente láser del invento;
- la Figura 2 es una representación esquemática
de una segunda variante de una fuente láser del invento;
- la Figura 3 representa los niveles de energía
de los dos isótopos (85) y (87) de Rubidio (Rb);
- la Figura 4 es una representación esquemática
de una curva teórica de la intensidad del haz al atravesar la
célula de absorción después de un único paso (la absorción simple),
bajo la hipótesis, puramente teórica, que no habría una ampliación
del pico de absorción por efecto Doppler;
- la Figura 5 es una representación esquemática
de una curva real de la intensidad del haz al atravesar la célula
de absorción después de un único paso (la absorción simple), con
la ampliación del pico de absorción por efecto Doppler;
- la Figura 6 es una representación esquemática
de una curva real de la intensidad del haz al atravesar la célula
de absorción después de dos pasos sucesivos y empleando la
saturación de la transición atómica con elemento de trabadura.
Con referencia a la Figura 1, y conforme con la
primera variante del invento, la fuente láser está compuesta
por:
- -
- un conjunto (1) formado por un láser de estado sólido en miniatura (10) y polarizado, bombeado de forma óptica por medio de un diodo de bombear (11) por vía una fibra óptica corta (12), y que libera a la salida, un primer haz de láser (2) de frecuencia (f1);
- -
- un generador (3) de Enésimo Armónico, que permite la generación, a partir de dicho primer haz de láser (2), de un haz luminoso (4) compuesto por un segundo haz de láser (4a) de la misma frecuencia (f1), y de un haz luminoso (b), conocido como el Enésimo Armónico, donde la frecuencia (f2) es igual a (N) veces la frecuencia (f1) del haz de láser (2) (donde N es un entero superior o igual a 2);
- -
- una célula de absorción (7) que contiene un elemento químico de absorción, el cual, en el ejemplo descrito a continuación, es un gas (o vapor) de Rubidio (Rb);
- -
- un espejo dicroico (5) (o cualquier otro medio óptico equivalente conocido que desempeña la misma función) que tiene, de forma general, la función de separar los haces arriba-mencionados (4a y 4b), para dejar paso el segundo haz de láser (4a) de frecuencia (f1) y formar el haz de láser de salida, y, desviar el haz luminoso (4b) (Enésimo Armónico) para dirigirlo hacia la célula de absorción (7) para procurar que pase a través del elemento químico de absorción de esta célula (7);
- -
- los medios (6) de polarización del haz de láser, interpuestos entre la célula de absorción (7) y el espejo dicroico (5);
- -
- una lente de focalización (I) interpuesta entre el espejo dicroico (5) y los medios de polarización(6): esta lente (I) permite la reducción del tamaño del haz (4b), y a la vez, el aumento de su densidad de potencia; el uso de esta lente no es necesario cuando el haz (4b) presenta una potencia suficiente;
- -
- un espejo (8) (o cualquier otro medio óptico reflector equivalente que desempeña la misma función) que tiene la función de devolver (a modo de deflector de 180º) el haz luminoso (4''b) que sale de la célula de absorción (7), hacia dicha célula de absorción, para procurar que pase a través de la célula de absorción una se- gunda vez y siguiendo el mismo camino óptico, para así permitir un funcionamiento de absorción saturada;
- -
- y los medios de trabadura (9) diseñados para trabar, de manera precisa, la frecuencia (f1) del primer haz (2) sobre una transición del elemento químico de absorción (Rubidio).
El láser de estado sólido (10) y el generador (3)
están diseñados de manera que la potencia del Enésimo Armónico, a
la salida del generador (3) sea suficiente para obtener la
saturación de dicha transición del elemento químico de absorción,
es decir una saturación de absorción del Rubidio, en el caso del
ejemplo que pasamos a detallar.
Conjunto
1
El láser de estado sólido (10) está compuesto por
un elemento realizado en material activo (101) y diseñado para ser
bombeado de forma óptica, y que se presenta especialmente bajo la
forma de una varilla de vidrio de poco espesor (aproximadamente 1
mm de acuerdo con la longitud de la cavidad), y
co-dopada con Yterbio e Erbio. El ión Erbio
introducido dentro de una matriz vítrea, y, por medio del bombeo
óptico a una longitud de onda de bombeo (\lambda_{p}) del orden
de 975 nm, permite una emisión láser por la varilla de vidrio (101)
a una longitud de onda (\lambda) comprendida en la banda del
espectro 1.5 \mum y 1.6 \mum.
Sin embargo, el invento no se limita al uso de
una varilla de vidrio co-dopada con Yterbio e
Erbio, dado que, de manera más general, se puede fabricar el láser
de estado sólido de un elemento en material activo dopado. Este
material podría tratarse de un vidrio (en lugar de una matriz
vítrea) que actuaría como semiconductor.
La varilla (101) está posicionada dentro de la
cavidad láser (102) para formar un modo de medir las interferencias
Fabry-Perrot. Esta varilla (101) incluye dos caras
planas opuestas (101a y 101b), paralelas y orientadas
de manera perpendicular al eje longitudinal de la cavidad (101). La
cavidad (102) está delimitada por dos espejos (103 y 104). De
acuerdo con una característica preferente, el espejo de entrada es
un espejo dicroico. Por otra parte, y para reducir el volumen, este
espejo de entrada (103) está posicionado directamente sobre la cara
(101a) de la varilla (101), y forma un espejo plano.
En el extremo opuesto del espejo de entrada
(103), el espejo de salida (104) es un espejo plano, de tal manera
que la cavidad (102) es una cavidad tipo
plano-plano. La longitud (L) de esta cavidad (102),
que corresponde ala distancia entre los dos espejos (103 y 104)
según el eje óptico longitudinal de la cavidad, es regulable de
manera fina, para así regular la longitud de la cavidad y, a la
vez, permitir regular de manera fina la frecuencia de transmisión
(f1) del láser de estado sólido (1). Se obtiene el regulado fino
por medio de un separador piezoeléctrico (108), sobre el cual el
espejo de salida (104) está montado, y, preferentemente (pero no
necesariamente), por medio de un elemento de acoplamiento (107)
(por ejemplo sustrato en vidrio), y activo sobre la tensión de
transmisión del separador piezoeléctrico (108). Esta tensión de
transmisión está controlada automáticamente por medio de un bucle
de retroacción descrito a continuación, y que, de manera general,
permite trabar la longitud de onda de la transmisión \lambda1
(\lambda1 = c/f1, donde c es la velocidad de la luz) del láser de
estado sólido (10), sobre una transición (a continuación y de
manera general la transición se denomina T) del elemento químico de
absorción de la célula (7), donde se elige tal elemento químico de
manera que esta longitud de onda de transmisión \lambda1 se
estabiliza alrededor de 1.56 \mum.
El uso de una cavidad (102) de tipo
plano-plano y de escasa longitud permite, de forma
ventajosa, obtener una irradiación, a la salida del láser de estado
sólido (10), en regímenes mono-modales transversal
y longitudinal, de muy buena calidad.
El conjunto de espejo de entrada (103) - varilla
(101) forma la cara de entrada de la cavidad (102), y está montada,
para su enfriamiento, sobre una primera cara (105a) de una
ventana de zafiro (105). La ventana de zafiro (105), en contacto
con el espejo de entrada (103) desempeña la función de disipar la
energía térmica acumulada por las varillas de vidrio (101) cuando
funciona el láser de estado sólido (10). Se podría reemplazar a
esta ventana de zafiro en otra variante del invento por todo
elemento en cualquier material transparente, para el haz de bombeo
del diodo de bombear (11), y que presenta un coeficiente de
conductividad térmica superior al de la varilla (101) para poder
disipar la energía térmica producida dentro de la varilla (101)
durante el bombeo. Cuanto más alto sea el coeficiente de
conductividad térmica de la ventana (105), mejor será el
enfriamiento de la varilla (101). Por ejemplo, en otra variante que
pone en acción una varilla (101) de vidrio y una longitud de onda de
bombeo de alrededor de 975 nm, se podría reemplazar la ventana de
zafiro por una ventana de AIN.
La ventana de zafiro está montada sobre una de
las caras (106a) de un radiador (106),que presenta en su
parte central una apertura transversal (106b), que permite el
paso del haz de bombeo hasta el conjunto ventana de zafiro (105) -
espejo (103) - varilla (101); la segunda cara (105b) de la
ventana (105) cierra esta apertura (106b). Este radiador
(106), en contacto con la ventana (105), desempeña la función de
evacuar hacia el exterior la energía térmica absorbida por la
ventana de zafiro (105) durante el bombeo, y presenta, con este
fin, una superficie de disipación importante (en comparación con la
superficie de la ventana (105). Se puede realizar este radiador
(106) por ejemplo en cobre o en aluminio. Igualmente, puede
tratarse de un elemento Peltier, que permite la absorción activa de
la energía térmica de la ventana (105).
La actuación en combinación del radiador (106) y
la ventana (105) permite, de forma ventajosa, rendir estable la
cavidad plano-piano (102), para alcanzar un
enfriamiento eficaz del conjunto espejo de entrada (103) - varilla
de vidrio (101). De hecho, en ausencia de enfriamiento del conjunto
espejo de entrada (103) - varilla de vidrio (101), o si este
conjunto no es suficientemente eficaz, al funcionar el láser y bajo
la acción del haz de bombeo, se produce una deformación y una
dilatación del conjunto espejo de entrada (103) - varilla de vidrio
(101), y dicho conjunto llega a semejarse a una lente (el efecto de
lente térmica). Esta lente asociada con un espejo de salida plano
(104), forma en este caso, una cavidad inestable, y por
consiguiente el láser se vuelve inoperable. Además, un enfriamiento
ineficaz puede acabar en la destrucción de la varilla (101).
Más arriba del conjunto radiador (106) - ventana
de zafiro (105) - espejo de entrada (103) - varilla de vidrio (101)
se monta una lente de focalización (112), centrada sobre el eje
óptico de la cavidad.
En otras instancias igualmente usuales, el láser
de estado sólido (1) puede estar compuesto por un patrón rotativo
(109) (de hoja fina), posicionado dentro de la cavidad (102) y
centrado sobre el eje óptico de esta cavidad, que permite un primer
reglaje aproximado de la frecuencia de transmisión del láser de
estado sólido (10), por medio de un reglaje de la posición angular
inicial del patrón (109).
Para estabilizar la polarización de la
irradiación a la salida del láser de estado sólido (10), cuando el
material activo (la varilla (101)) es un isótopo, de manera que el
vidrio está co-dopado con Yterbio y Erbio, si fuera
posible se realiza el patrón (109) en un material polarizante, por
ejemplo el material comercializado bajo la marca registrada
"POLARCOR". En cambio, en el caso de que el material activo
fuera anisótopo, se puede realizar el patrón (109) en un material
isótopo, por ejemplo el vidrio.
El diodo de bombear (11) permite un bombeo óptico
del láser de estado sólido a través del espejo de entrada (103). En
un ejemplo particular de realización, se emplea un diodo láser
multimodo con una potencia inferior a 1 W. Más específicamente, y
para bombear el vidrio co-dopado con Yterbio y Erbio
(101), se emplea por ejemplo un diodo
semi-conductor GaInAsP, que permite la obtención de
una longitud de onda de bombeo (\lambda_{p}) del orden de 975
nm.
El uso de un ambiente activo realizado por medio
de un vidrio (o cristal) co-dopado en Yterbio y
Erbio, y combinado con un enfriamiento de este ambiente activo por
la cara de entrada (el espejo dicroico (103) en asociación con la
ventana (105) y el radiador de disipación (106) junto con el uso de
una cavidad (102) de tipo plano-plano, permite
obtener, de forma ventajosa, y a bajo coste, un láser de estado
sólido (10) que presenta poco volumen y es capaz de transmitir en
salida, un haz láser (2) de longitud de onda de \lambda1
(\lambda1 = c/f1) regulado a 1.56 \mum, y que presenta una
potencia suficiente en regímenes mono-modales
transversal y longitudinal.
El generador (3) está compuesto por dos lentes de
focalización (31 y 32) entre las cuales se posiciona un cristal
no-linear (30) a base de cristales
(PP:KTIOPO_{4}) para permitir la obtención de un
cuasi-acorde perfecto de fase. De manera general,
se podría reemplazar este cristal (PP:KTIOPO_{4}) por cualquier
otro cristal conocido equivalente que cumplen con la misma función,
por ejemplo un cristal a base de KNbO_{3}. El generador (3)
permite, a partir de la entrada del primer haz (2), la generación a
su salida de un segundo Armónico (N = 2) con una frecuencia (2) que
es el doble de la frecuencia del primer haz (2), donde el segundo
Armónico está desviado por medio del espejo dicroico (5) hacia la
célula de absorción (7) (haz 4b). El uso de un cristal (30)
(tipo PP:KTP) permite de forma ventajosa la obtención en el
segundo
Armónico de una potencia comparativamente más importante que, por ejemplo, el uso de un mono-cristal tipo KNbO_{3}.
Armónico de una potencia comparativamente más importante que, por ejemplo, el uso de un mono-cristal tipo KNbO_{3}.
Los medios de polarización (6) incluyen, de
manera sucesiva y alineada según el eje óptico: una hoja
media-onda (62), un cubo polarizador (61), y una
hoja de cuarto de onda (63). Al funcionar, se envía el haz entrante
(4b) de frecuencia (f2), que corresponde al segundo Armónico
generado por el cristal (30), sobre el cubo polarizador (61). La
hoja media-onda (62) permite que se dirige una
parte muy débil de la potencia de este haz entrante (4b)
hacia un primer foto-diodo (9a). Lo esencial
de la potencia de este haz entrante (4b) atraviesa el cubo
polarizador (61) una vez, para luego pasar por la hoja de cuarto de
onda (63). Esta hoja hace que la polarización emitida por el cubo
polarizador (61) sea circular (de derecha o izquierda). El haz
(4'b) polarizado de forma circular atraviesa la célula de
absorción (7) donde está reflejado a 180º por el espejo (8) y
vuelve a atravesar, en sentido inverso y de manera sucesiva, la
célula de absorción (7) y la hoja de cuarto de onda (63). Por el
hecho de su polarización circular, este haz de vuelta está
reflejado por el cubo polarizador (61) en dirección de un segundo
foto-diodo (9b), posicionado en el lado
opuesto del primer foto-diodo (9a).
La Figura 3 representa los niveles de energía del
Rubidio (Rb) (85 y 87). Para realizar la trabadura de la frecuencia
(f1) del haz de láser (2) se usa, por ejemplo como transición (T),
la transición (D_{2}) (5S_{^{1}/_{2}}/F = 2 \rightarrow
5P_{^{3}/_{2}}/F = 3) del Rubidio (Rb) a 0,7801 \mum. Esta
transición (D_{2}) conecta los niveles 5S_{^{1}/_{2}} (nivel
fundamental) y 5P_{^{3}/_{2}} (nivel excitado, duración de vida
0,15 \mus), que posee, de manera ventajosa, una estructura fina.
Se podría usar otras transiciones anatómicas del Rubidio para
realizar la trabadura.
Cuando la pulsación (W_{L}) del haz (4b)
que atraviesa la célula (7) de Rubidio, está cerca de la pulsación
(W_{O}) de la transición anatómica (T) elegida, el átomo absorbe
una parte de la intensidad del haz (4b) (ver Figura 4). Esta
absorción de energía es importante cuando la frecuencia del haz
(4b) no se alargue más de una vez la largura del nivel
excitado. El desplazamiento de los átomos de gas de Rubidio
provoque entretanto, y por efecto Doppler, un alargamiento de la
largura de la transición (T). De esta manera, en caso de una
absorción simple (el haz (4b) atraviesa la célula de
absorción (7) una única vez) se obtiene en realidad una curva de
absorción del tipo ilustrado en la Figura 5. De esta manera, en caso
de una absorción simple, el pico de absorción (ver Figura 5) llega
a ser en la práctica demasiado grande para permitir una trabadura
suficientemente precisa a unos MHz aproximados.
La absorción saturada permite paliar el problema
anteriormente descrito del alargamiento del pico de absorción por
efecto Doppler. En efecto, al volver a pasar la célula de absorción,
el haz devuelto, reenviado por el espejo (8) en el ejemplo de la
Figura 1, permite la realización de una inversión de población, por
lo que el medio se vuelve transparente (gas Rb) por los átomos de
velocidad nula. En este caso, si la intensidad del haz (4b) es
suficiente para saturar la transición (T), la señal eléctrica, en
función de la frecuencia del láser, y enviada de nuevo por el
foto-diodo (9b), presenta la velocidad
representada en la Figura 6. Esta velocidad está caracterizada por
un pico (P) de largura muy pobre, centrado en la pulsación
(W_{O}) de la transición anatómica (T) elegida. Este pico (P)
permite de forma ventajosa la realización de una trabadura
netamente más precisa que en el caso de la absorción simple.
Se puede comprender a la luz de la explicación
anterior que, para obtener un funcionamiento en absorción saturada,
es importante que la potencia del Enésimo Armónico (segundo
Armónico, haz (4b) en el ejemplo de la Figura 1) empleada en
la trabadura sea suficiente para saturar la transición elegida y
obtener una señal en el foto-detector (9b)
conforme a la Figura 6.
Los medios de trabadura (9) permiten realizar la
trabadura de la frecuencia del haz de láser (2) por medio de la
detección sincrónica, gracias a una modulación de la transición
anatómica (T) saturada.
Estos medios de trabadura (9) incluyen un
solenoide (90) que rodea la célula de absorción(7), y un
bucle de retro-acción (I). Este bucle de
retro-acción (I) está compuesto esencialmente por un
generador de corriente sinusoide (91a), un oscilador (91b), un
módulo de detección sincrónica (92) y un amplificador de tensión
(93).
El generador de corriente sinusoide (91a) libera
un corriente sinusoide de frecuencia predeterminada (fp) que
alimenta el solenoide (90). La frecuencia de esta corriente está
fijada por el oscilador (91b) (señal 91c) y es, por ejemplo,
aproximadamente unas decenas de kHz. Al funcionar, la célula de
absorción está sometida a un campo magnético de amplitud modulado, y
creado por el solenoide (90). Este campo magnético modulado permite
desplazar los sub-niveles Zeeman de la transición
(T) (por ejemplo la transición anatómica (D_{2}) en el caso del
Rubidio). Este desplazamiento es, en gran medida, notablemente
proporcional al valor del campo magnético creado. Resulta que la
señal de absorción (S1) (liberada por el
foto-detector (9a) está modulada de forma
permanente en una frecuencia con muy poco espacio (típicamente para
desplazar los niveles de energía algunos MHz).
La señal de absorción (SI) está procesada por el
módulo de detección sincrónica (92). Este módulo recibe además la
entrada de la señal (91c) de frecuencia (fp), liberada por el
oscilador (91b), y permite de manera conocida extraer de la señal de
absorción (SI) una señal de error (\varepsilon), en forma de una
tensión continuada donde el valor es proporcional al desplazamiento
de la frecuencia entre la frecuencia del haz (4b) que
atraviesa la célula de absorción (7), y la frecuencia de la
transición (T) elegida. La señal de error (c) está amplificada por
medio de un amplificador de tensión (93) que libera con destino al
separador piezoeléctrico (108) una señal de mando (94) (de tensión
continua). Esta señal de mando (94) permite ajustar de forma
permanente y delicada la longitud de la cavidad del láser de estado
sólido (la distancia entre los espejos de entrada (103) y de salida
(104), y a la vez, la frecuencia de transmisión (f1) del láser de
estado sólido (10).
La fuente láser del invento, descrita en una
variante en la Figura 1, permite realizar un patrón de frecuencia
que presenta las siguientes características y ventajas:
- -
- la transmisión de una irradiación mono-modal transversal (haz 4a) que permite facilitar la acopladura de la onda electromagnética con las fibras ópticas y los guías de ondas dominantes;
- -
- la transmisión de una irradiación mono-modal longitudinal (haz 4a) que permite la obtención de una buena agudeza del espectro;
- -
- una muy buena estabilidad en frecuencia y potencia del haz de salida (4a);
- -
- una frecuencia de transmisión (f1) ampliamente conocida, que permite emplear el haz (4a) en las técnicas activas de múltiplex o no-múltiplex;
- -
- una longitud de onda de transmisión (\lambda1) estabilizada alrededor de 1,56 \mum, que permite su uso como patrón de frecuencia en el campo de las telecomunicaciones,
- -
- una fuente láser compacta y de poco volumen que permite su fácil introducción dentro de los sistemas enredados y dentro de las cadenas de tratamiento en el campo de las telecomunicaciones.
A título indicativo, en una variante conforme con
el ejemplo anteriormente descrito e ilustrado en la Figura 1, el
láser de estado sólido (10) fue concebido de manera que el haz de
láser (2) generado por este láser de estado sólido se estabilizaba
alrededor de 1,56 \mum con una precisión de +/-10^{-8}, y
presentaba una potencia de salida (potencia del haz 4a)
superior o igual a 50 mW en regímenes mono-modales
transversal y longitudinal, donde esta potencia puede alcanzar los
100 mW. La longitud (L) de la cavidad valía alrededor de 5 mm. Los
valores de longitud, largura y altura del láser de estado sólido
(10) eran de 50 mm, 30 mm y 30 mm respectivamente. En la salida del
láser de estado sólido (10) el haz de láser (2) presentaba una muy
buena calidad transversal, y por eso fue fácil de acoplarlo a una
fibra óptica. En particular, el parámetro M^{2} que define la
calidad transversal de este haz fue inferior a 1,1. El segundo
Armónico (haz 4b) generado por el generador (3) a partir de
este haz de láser (2) presenta una potencia superior a 1 \muW;
suficiente para saturar la transición (5S_{^{1}/_{2}}/F = 2
\rightarrow 5P_{^{3}/_{2}}/F = 3) del Rubidio de la célula de
absorción (7).
En esta variante el diodo de bombeo (11) no tiene
fibras (al contrario del diodo de bombeo de la Figura 1 que está
acoplado en su salida a una fibra óptica (12), pero en cambio, está
acoplado directamente al espejo de entrada (103) de la cavidad
láser (102) del láser de estado sólido, por vía una óptica de
focalización (la lente 112'), sin la aplicación de una fibra
óptica. De igual manera, el patrón (109) de la variante de la
Figura 1 ha sido reemplazado en la variante de la Figura 2 por una
hoja patrón (109') realizada en un material sin capacidad de
polarizar, como por ejemplo el
vidrio.
vidrio.
El diodo de bombeo (11) produce un haz de bombeo
múlti-modo (112a) que normalmente está
polarizado y presenta un perfil disimétrico en el plano transversal
en la dirección de propagación del haz. La disimetría de este
perfil del haz de bombeo no está modificada por la lente (112'). A
la salida, el láser de estado sólido (10) libera un haz de láser
(2) polarizado, sin necesidad de aplicar un elemento de
polarización dentro de la cavidad láser (101). Se puede explicar la
polarización del haz de láser (2), en el caso de la variante de la
Figura 2, por la combinación de dos efectos:
- -
- la distribución espacial disimétrica del haz de bombeo (112a) induce una birrefringencia unida al efecto termo-óptico;
- -
- el acoplamiento del campo electro-magnético del haz de bombeo (112a) con el campo de irradiación producido en el interior de la cavidad (102), por vía una interacción no-lineal generada en el seno del material activo (101).
En el caso de la variante de la Figura 1 y de
forma comparativa, la aplicación de la fibra (12) actúa sobre el
haz de bombeo (112a) y lo despolariza y lo vuelve simétrico dentro
del plano transversal en la dirección de propagación del haz. Por
el hecho de esta simetría espacial del haz de bombeo, y para
obtener un haz de láser (2) polarizado a la salida de la cavidad
(102) del láser de estado sólido, es necesario aplicar un elemento
de polarización (109) dentro de dicha cavidad.
Tal y como resalta la descripción anterior, la
variante de la Figura 2 se caracteriza por la aplicación de un
sistema de bombeo (11, 112') concebido para producir un haz de
bombeo (112a) polarizado que presenta un perfil disimétrico
en el plano transversal en la dirección de propagación del haz,
donde el haz de láser (2) a la salida de la cavidad (102) está
polarizado y sin aplicar un elemento de polarización dentro de
dicha cavidad (102). Se puede aplicar estas características
técnicas para realizar, en otra variante, un láser de estado sólido
que no cuenta con el medio de enfriamiento (105, 106) del conjunto
espejo de entrada (103) - elemento en material activo (101).
El invento no está limitado a las dos variantes
de realización descritas aquí a título de ejemplo y con referencia
a las Figuras 1 y 2. En particular, y de manera no exhaustiva, se
puede reemplazar el Rubidio y usar de igual forma todos los
alcalinos conocidos, y en especial, el Potasio, el Cesio, el
Hidrógeno, el Sodio, el Litio, ... De forma más general, se puede
usar cualquier elemento o compuesto químico que presenta las rayas
de absorción diferenciadas, y adaptado a la aplicación de la
trabadura de acuerdo con la variante de la Figura 1 o 2 (modulación
de la transición anatómica). De forma más general, el invento puede
aplicarse a la realización de una fuente de láser estabilizada
alrededor de una longitud de onda (\lambda1) cualquiera
predeterminada, que puede ser diferente del valor 1,56 \mum, que
actualmente es específico del campo de las telecomunicaciones.
Dentro del marco del invento, se podría realizar la fuente de láser
por medio de un láser de estado sólido ("solid state laser")
bombeado de forma óptica, que podría ser diferente al láser de
estado sólido (10) propio de la Figura 1 o de la Figura 2, es
decir, de una manera más general, por medio de un láser, aplicado
dentro de la cavidad un elemento en material activo cristalino o
amorfo. Por último, los lasers sólidos (10), descritos con
referencia a la Figura 1 y a la Figura 2, a título de variante
preferida por su novedad, pueden ser empleados para realizar todo
tipo de fuente de láser, y su uso no está limitado necesariamente a
la realización de una fuente de láser estabilizada en frecuencia,
de acuerdo con el invento.
Claims (16)
1. Una fuente de láser estabilizada en frecuencia
que se caracteriza por el hecho de que está compuesta
por:
- -
- un láser de estado sólido (10) bombeado de forma óptica que permite la transmisión de un primer haz de láser (2) de frecuencia (f1);
- -
- una célula de absorción (7) que contiene un elemento químico de absorción, y que, al funcionar, está atravesada por el primer haz de láser(2) o por un haz (4b) desviado de tal forma que una transición (T) del elemento químico de absorción está saturada;
- -
- los medios de trabadura (9), concebidos para trabar la frecuencia (f1) del primer haz de láser sobre dicha transición (T) saturada con el elemento químico, por medio de una detección sincrónica basada en una modulación de dicha transición;
- -
- dichos medios (9) de trabadura incluyen un solenoide (90) que rodea la célula de absorción (7) y que se alimenta de tal modo que crea un campo magnético modulado en amplitud, y de esta forma permite que la señal de absorción generada por dicho elemento químico de absorción sea modulada sin interrupción en el espacio de desplazamiento de los sub-niveles de energía de dicho elemento químico de absorción;
para que el haz de láser,
transmitido de esta forma, esté compuesto por un único componente
del espectro, con una precisión de estabilización que no sobrepasa
los 2
MHz.
2. Una fuente de láser de acuerdo con la
Reivindicación 1 o 2 caracterizado por el hecho de que está
compuesta por medios de deflexión óptica (8) que permiten el paso
del haz que atraviesa la célula de absorción (7) al menos dos veces
seguidas a través de dicha célula de absorción.
3. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por el hecho de que
está compuesta por un generador (3) que permite generar, a partir
del primer haz de láser liberado por el láser de estado sólido, un
segundo haz de láser (4b), conocido como el Enésimo
Armónico, donde la frecuencia es igual a N veces la frecuencia (f1)
del primer haz de láser, siendo N un entero superior o igual a 2, y
la célula de absorción (7) está convenida para ser atravesada por
dicho Enésimo Armónico.
4. Una fuente de láser de acuerdo con la
Reivindicación 4 caracterizado por el hecho de que el
generador del Armónico (3) incluye un cristal (30)
no-lineal a base de cristales PP.KTP.
5. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por el hecho de que el
láser de estado sólido (10) incluye una cavidad (102) delimitada
por un espejo de entrada (101) y un espejo de salida (102), y en el
interior de dicha cavidad está posicionado un elemento realizado en
material activo (101) destinado a ser bombeado de forma óptica, y
en que se puede regular la longitud de la cavidad (102) por medio
de un elemento (108) accionado por los medios de trabadura (9).
6. Una fuente de láser de acuerdo con la
Reivindicación 6 caracterizado por el hecho de que el
elemento (108) de reglaje de la longitud de la cavidad (102) es un
separador piezoeléctrico (108).
7. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 1 a 5 caracterizado por el hecho de que el
láser de estado sólido (10) incluye una cavidad (102) delimitada
por un espejo de entrada (101) y un espejo de salida (102), y en el
interior de dicha cavidad está posicionado un elemento realizado en
material activo (101) destinado a ser bombeado de forma óptica, el
espejo de entrada (103) de dicha cavidad (102) está posicionado
directamente sobre una de las caras de dicho elemento activo (101),
y forma junto con el espejo de salida (104) una cavidad
plano-plano, y en que el láser de estado sólido
(10) incluye unos medios de enfriamiento del conjunto espejo de
entrada - elemento en material activo, donde dichos medios de
enfriamiento permiten estabilizar la cavidad plano-
plano.
plano.
8. Una fuente de láser de acuerdo con la
Reivindicación 8 caracterizado por el hecho de que los
medios de enfriamiento incluyen una ventana (105) que hace contacto
con el espejo de entrada (103), y que está fabricado en un material
transparente a la longitud de onda de bombeo, y presenta una
conductividad térmica superior a la conductividad térmica del
elemento activo (101), de modo que permite una disipación de la
energía térmica producida dentro del elemento de material activo
(101) durante el bombeo.
9. Una fuente de láser de acuerdo con la
Reivindicación 9 caracterizado por el hecho de que la
ventana (105) está fabricada en zafiro o AIN.
10. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 9 o 10 caracterizado por el hecho de que los
medios de enfriamiento incluyen un radiador (106), que hace
contacto con la ventana (105) y que permite la evacuación hacia el
exterior de la energía térmica absorbida por esta ventana (105)
durante el bombeo.
11. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 1 a 11 caracterizado por el hecho de que el
láser de estado sólido (10) incluye una cavidad (102), que está
delimitada por un espejo de entrada (103) y un espejo de salida
(104), y que en el interior de dicha cavidad está posicionado un
elemento hecho en material activo (101) y destinado a ser bombeado
de forma óptica, y un sistema de bombeo (11, 112') diseñado para
producir un haz de bombeo (112a) polarizado y presentando un
perfil disimétrico dentro del plano transversal en la dirección de
propagación del haz; el haz de láser (2) sale polarizado de la
cavidad (102), sin la aplicación dentro de la cavidad (102) de un
elemento de polarización.
12. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 1 a 12 caracterizado por el hecho de que el
láser de estado sólido (10) incluye un elemento hecho en material
activo (101) destinado a ser bombeado de forma óptica, donde dicho
elemento activo (101) es un vidrio o un cristal
co-dopado con iones
Yterbio-Erbio.
13. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 1 a 13 caracterizado por el hecho de que el
láser de estado sólido (10) permite la transmisión de un primer haz
de láser (2) mono-modal transversal y
mono-modal longitudinal.
14. Una fuente de láser de acuerdo con la
Reivindicación 14 caracterizado por el hecho de que la
potencia del primer haz de láser (2) es superior o igual a los 50
mW.
15. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 1 a 15 caracterizado por el hecho de que la
longitud de onda (\lambda1) del primer haz de láser (2) está
estabilizada alrededor de 1,56 \mum.
16. Una fuente de láser de acuerdo con las
Reivindicaciones 1 a 16 caracterizado por el hecho de que el
elemento químico de absorción está elegido de entre el siguiente
grupo: Rubidio, Potasio, Cesio, Hidrógeno, Sodio, Litio.
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