ES2330679T3 - Sistema de laser con laser de diodo segmentado. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de láser para generar un rayo de salida, cuyo sistema de láser comprende: - un conjunto de láser (101) para emitir un rayo láser principal, comprendiendo el conjunto de láser una pluralidad de emisores para emitir respectivas contribuciones de rayo principal para el rayo láser principal emitido; - un primero y un segundo dispositivos de realimentación de luz (208, 232) que forman cavidades externas respectivas con el conjunto de láser para reflejar hacia el conjunto de láser partes de realimentación respectivas de la luz producida por el conjunto de láser; - un dispositivo de dispersión (205) posicionado para recibir luz procedente del conjunto de láser (101) y para redirigir partes respectivas de la luz recibida hacia los dispositivos de realimentación primero y segundo (208, 232) como correspondientes rayos redirigidos primero y segundo, en el que el primer dispositivo de realimentación está destinado a reflejar una parte de realimentación del primer rayo redirigido de vuelta sobre el dispositivo de dispersión y a generar el rayo de salida a partir de una parte de salida del primer rayo redirigido; - un dispositivo (213) de formación de imágenes para generar una transformada óptica de Fourier de la pluralidad de emisores en un plano de Fourier (235) y para formar un diseño de distribución de intensidad combinada que tiene múltiples lóbulos posicionados fuera de eje con relación a un eje principal (230) del conjunto de láser que se proyecta desde una cara de salida del mismo; caracterizado porque el dispositivo de dispersión (205) está situado en una posición desplazada respecto de dicho plano de Fourier (235) en una magnitud de desplazamiento predeterminada en la dirección del mencionado eje principal (230).
Description
Sistema de láser con láser de diodo
segmentado.
Este invento se refiere a sistemas de láser y,
más particularmente, a sistemas de láser que comprenden láseres de
diodos segmentados.
Los diodos láser son bien conocidos como fuentes
de rayos láser pequeñas y robustas, de precio razonable. Los
diodos láser usuales con baja potencia de salida y buenas
propiedades de coherencia han estado disponibles y se les utiliza
en muchas aplicaciones tales como reproductores de CD, lectores de
códigos de barras, etc.
Más recientemente, se ha podido disponer de
diodos láser con un área de emisión de luz estrecha y ancha que
proporcionan una potencia de salida de varios vatios. Estos diodos
láser de área ancha y alta potencia, son potencialmente aplicables
en áreas industriales en las que se requieran fuente de luz de alta
potencia, tales como en la impresión, el tratamiento de materiales,
la medicina, como perceptores ópticos y para el bombeo de
guíaondas activos monomodo, de alta potencia. Sin embargo, como la
calidad óptica de estos láseres no es los bastante buena para
muchas aplicaciones, en general es deseable mejorar la calidad
óptica de los diodos láser de alta potencia.
En particular, es difícil enfocar el rayo de
luz emitido desde tales diodos con una ancha franja de emisión de
luz para conseguir una traza de pequeño tamaño en la dirección de
la franja. La dirección de la franja es conocida como el eje lento,
mientras que la dirección transversal a la de la franja se conoce
como el eje rápido.
La solicitud internacional publicada WO
02/21651 describe un sistema de láser con realimentación fuera de
ejes que mejora las propiedades espaciales del rayo láser generado
en comparación con un láser de diodo de funcionamiento libre. El
término "realimentación" hace referencia al proceso en el que
una fracción de la energía de salida retorna a la región activa de
la estructura del láser, por ejemplo, por medio de reflexión,
difracción o dispersión.
La solicitud internacional publicada WO
03/084006 describe un sistema de láser con dos ramas de
realimentación fuera de ejes.
El deseo de incrementar la potencia de salida
de los dispositivos de láser de diodo ha llevado al desarrollo de
fuentes de láser segmentadas, tales como barras de diodos láser.
Tales barras de diodos láser comprenden varios láseres de diodos
separados espacialmente que forman una pluralidad de emisores
ópticamente independientes. Las áreas de emisión de luz de los
emisores individuales están yuxtapuestas en una cara de salida de
la barra de diodos láser. Típicamente, cada una de las áreas de
emisión de luz es un área alargada que tienen una dimensión larga
según el denominado eje lento y una dimensión corta según el
denominado eje rápido, sustancialmente perpendicular al eje lento;
tanto el eje lento como el eje rápido se encuentran sustancialmente
en el plano definido por la cara de salida de la fuente de láser.
En una barra de diodos láser, los emisores individuales están
dispuestos, típicamente, de tal forma que sus ejes lentos
respectivos estén mutuamente alineados en la dirección de la
longitud de la barra, dando como resultado un gran área de salida
total y, correspondientemente, una elevada potencia de salida.
Desafortunadamente, se ha encontrado que los
mecanismos de realimentación anteriores para los láseres de diodos
usuales tienen un uso limitado para los láseres de diodos
segmentados, ya que ha probado ser difícil el conseguir una
realimentación suficientemente selectiva para todas las
agrupaciones de diodos individuales.
Por otra parte, al combinar rayos espectrales
estándar, la salida de distintos segmentos del láser se combina en
un solo rayo. Cada emisor es obligado a generar un rayo láser con
una longitud de onda determinada por la cavidad externa, de tal
modo que los diversos rayos se solapen. En el plano de Fourier, el
rayo procedente de una determinada posición de emisor incide con un
ángulo determinado. La retícula difracta las diversas longitudes
de onda del rayo emisor en ángulos ligeramente diferentes. Los
rayos con longitudes de onda que se propagan en dirección
perpendicular al acoplador de salida, experimentan realimentación
y, así, cada emisor emitirá luz con una longitud de onda
específica. Al combinar rayos espectrales estándar, la calidad del
rayo de salida sólo es tan buena como lo sea la calidad de los
rayos de los segmentos individuales.
El efecto combinador de rayos de una retícula y
un acoplador de salida sobre una agrupación de láseres de diodos se
describe, por ejemplo, en "Combinación de rayos espectrales de
una agrupación de láseres de diodos de franja ancha en una cavidad
externa", de V. Daneau y otros, en Optics Letters, vol. 25, núm.
6, del 2000. En esta exposición de la técnica anterior se propone
una disposición para combinar rayos principales procedentes de un
láser de barra utilizando una retícula posicionada entre el láser
de barra y un acoplador de salida consistente en un espejo plano,
parcialmente reflectante, con un coeficiente de reflexión del 10%.
Así, se forma una cavidad externa entre el acoplador de salida y el
láser de barra y la retícula reflectante se posiciona para reflejar
luz entre ambos. Una lente de transformación, situada a una
distancia focal de la barra de diodo láser, enfoca los rayos
principales procedentes del láser de barra sobre la superficie de
la retícula situada a una distancia focal de la lente, que refleja
un rayo comúnmente alineado para que incida sobre el acoplador de
salida en dirección ortogonal. El resultado es que los rayos
principales procedentes del láser de barra están alineados en
conjunto y se superponen para formar un rayo de salida alineado en
común, con el resultado de un incremento del brillo.
\newpage
El documento WO 03/036766 sugiere otra mejora
de las propiedades de enfoque de un sistema de láser combinando la
realimentación fuera de ejes y combinando los rayos espectrales. En
particular, este documento de la técnica anterior describe un
sistema de láser que comprende un conjunto de láser segmentado que
da como resultado un rayo principal con una distribución de lóbulos
gemelos en el campo lejano. El rayo es enfocado sobre una
retícula. Desde ella, uno de los dos lóbulos pasa por un filtro
espacial en un acoplador de salida, que refleja una parte de
realimentación del lóbulo y transmite una parte de salida del
lóbulo como salida del sistema de láser. El segundo lóbulo pasa
desde la retícula a un espejo, desde el cual es reflejado como
realimentación.
Aún cuando la anterior combinación de
realimentación fuera de ejes con una combinación de rayos
espectrales mejora las propiedades espaciales, en particular la
coherencia espacial, del rayo láser de salida, el antes mencionado
sistema de la técnica anterior es bastante voluminoso, ya que los
distintos componentes del sistema de láser tienen que estar
dispuestos con precisión de una manera particular, imponiendo así
límites restrictivos sobre el tamaño mínimo que puede conseguirse
para el sistema. Por ello el proporcionar una construcción más
compacta de un sistema de láser sin reducir de forma significativa
la calidad del rayo de salida, constituye un problema. Los sistemas
de láser compactos son, generalmente, deseable. En particular en
muchas aplicaciones de sistemas de láser de diodo de alta potencia,
tales como en impresión, aplicaciones médicas y como fuentes de
bombeo para láseres de estado sólido, una construcción compacta
constituye un parámetro de diseño importante.
\vskip1.000000\baselineskip
Los anteriores y otros problemas son resueltos
mediante un sistema de láser para generar un rayo de salida, cuyo
sistema de láser comprende:
- -
- un conjunto de láser para emitir un rayo láser principal, comprendiendo el conjunto de láser una pluralidad de emisores para emitir respectivas
- -
- contribuciones de rayo principal para el rayo láser principal emitido;
- -
- dispositivos de realimentación de luz primero y segundo que forman cavidades externas respectivas con el conjunto de láser, para reflejar hacia el conjunto de láser, respectivas partes de realimentación de la luz generada por el conjunto de láser;
- -
- un dispositivo de dispersión posicionado para recibir luz procedente del conjunto de láser y para redirigir partes respectivas de la luz recibida hacia los dispositivos de realimentación primero y segundo como rayos redirigidos primero y segundo correspondientes, en el que el primer dispositivo de realimentación está destinado a reflejar una parte de realimentación del primer rayo redirigido de vuelta al dispositivo de dispersión y a generar el rayo de salida desde una parte de salida del primer rayo redirigido;
- -
- un dispositivo de formación de imágenes para generar una transformada de Fourier óptica de la pluralidad de emisores en un plano de Fourier y para formar un diseño de distribución de intensidad combinada que tiene múltiples lóbulos posicionados fuera de eje con relación a un eje principal del conjunto de láser que se proyecta desde una cara de salida del mismo;
en el que el dispositivo de dispersión está
posicionado desplazado respecto de dicho plano de Fourier en una
magnitud de desplazamiento predeterminada en dirección a lo largo
de dicho eje principal.
\vskip1.000000\baselineskip
En consecuencia, si bien el efecto de combinar
rayos espectrales es bastante sensible a una alineación precisa del
dispositivo de dispersión con el plano de Fourier del dispositivo
de formación de imágenes, se ha visto que la calidad del rayo de
salida del sistema de láser antes mencionado es sustancialmente
insensible a la posición del dispositivo de dispersión con relación
al plano de Fourier. En consecuencia, moviendo el elemento de
dispersión para separarlo del plano de Fourier, puede conseguir se
un diseño más compacto del sistema de láser sin perjudicar las
propiedades espaciales del rayo de salida.
Cuando se desplaza el dispositivo de dispersión
respecto del plano de Fourier en dirección al dispositivo de
formación de imágenes, es decir, cuando se reduce la distancia
entre el dispositivo de dispersión y el dispositivo de formación de
imágenes, se reduce en consecuencia la dimensión global del sistema
de láser en la dirección del eje principal. Alternativamente,
cuando se mueve el dispositivo de dispersión separándolo del
dispositivo de formación de imágenes, puede conseguirse una
configuración más estrecha/esbelta, ya que el ángulo entre el rayo
principal y el rayo redirigido puede ser más agudo sin que el rayo
redirigido corte a los medios de formación de imágenes.
Otra ventaja del invento reside en que la
distancia focal del dispositivo de formación de imágenes puede
incrementarse sin aumentar significativamente la dimensión global
del sistema de láser. Un aumento de la distancia focal hace que
aumente la sensibilidad espectral del sistema, lo que tiene como
consecuencia una menor separación entre las frecuencias/longitudes
de onda de los emisores individuales del conjunto láser. Esto, a
su vez, permite conseguir un incremento del número de emisores -y,
así, de la potencia total de salida- en un conjunto de láser con un
medio amplificador de anchura de banda dada.
\newpage
Una medida de la calidad de un rayo láser es el
factor de calidad del rayo o el factor de propagación del rayo,
M^{2}, según lo define mediante la norma ISO 11146 la
International Organization for Standardization ("Láseres y equipo
relacionado con los láseres -Métodos de ensayo para parámetros de
rayos láser- Anchuras de rayo, ángulo de divergencia y factor de
propagación del rayo", ISO 11146, Ginebra, 1999). Un rayo con un
perfil Gaussiano ideal del rayo corresponde a un factor de calidad
del rayo de M^{2}=1, mientras que M^{2} crece para rayos con un
perfil del rayo diferente de un rayo Gaussiano estándar. Los
valores típicos de M^{2} del eje de baja coherencia de diodos
láser multimodo de alta potencia usuales van desde unas decenas a
varios centenares, mientras que el valor de M^{2} del eje de alta
coherencia es, típicamente, próximo a uno.
Los experimentos realizados por los inventores
han mostrado el sorprendente resultado de que el dispositivo de
dispersión puede ser desplazado respecto del plano de Fourier de
tal modo que se reduzca significativamente el efecto de combinación
de los rayos espectrales del sistema de láser sin reducir de forma
significativa las propiedades espaciales de la salida del sistema
de láser descrito en este documento. El dispositivo de dispersión
puede ser desplazado, así, de tal modo que cuando se inactive el
segundo dispositivo de realimentación, por ejemplo, se retire de la
trayectoria del rayo o se bloquee, el valor M^{2} del rayo de
salida se incrementa considerablemente sin afectar en forma
significativa al valor M^{2} del rayo de salida cuando se
desactiva el segundo dispositivo de realimentación.
En algunas realizaciones, el desplazamiento es,
al menos, el 5% de la distancia existente entre el dispositivo de
formación de imágenes y el plano de Fourier, preferiblemente al
menos el 10% de dicha distancia, más preferiblemente al menos el
20% de la citada distancia, del modo más preferible al menos el 30%
de dicha distancia, por ejemplo, entre el 40% y el 70% de dicha
distancia, consiguiéndose por tanto una reducción considerable del
tamaño global del sistema de láser sin perjudicar las propiedades
espaciales del rayo de salida.
En algunas realizaciones, el dispositivo de
dispersión tiene una superficie de entrada sobre la que incide el
rayo principal, y el desplazamiento está determinado como la
distancia entre las intersecciones respectivas del eje principal
con dicha superficie de entrada y el plano de Fourier.
El dispositivo de dispersión se configura, para
un ángulo de incidencia dado, para redirigir, por ejemplo para
transmitir o reflejar luz en ángulos diferentes para frecuencias
diferentes. En algunas realizaciones, el dispositivo de dispersión
está destinado a dirigir el primero y el segundo rayos redirigidos
en un ángulo, con relación al eje principal, mayor que 50º,
preferiblemente mayor que 70º, más preferiblemente mayor que 80º,
permitiendo por tanto que el elemento de dispersión sea movido
acercándolo al dispositivo de formación de imágenes sin que el rayo
redirigido procedente del dispositivo de dispersión sea bloqueado
por el dispositivo de formación de imágenes. Además, un ángulo
mayor corresponde, típicamente, a una sensibilidad espectral
superior del dispositivo de dispersión, permitiendo por tanto que
el sistema de láser sea hecho funcionar con un mayor número de
emisores, como se ha descrito en lo que antecede.
En algunas realizaciones del sistema de láser,
cada dispositivo láser genera un rayo láser a una frecuencia
diferente de tal modo que su luz sea dirigida por el dispositivo de
dispersión en una dirección preferida del primer dispositivo de
realimentación de luz para obtener una realimentación máxima, y las
contribuciones de los rayos principales se combinen para formar, al
menos, un rayo de realimentación combinado reflejado de vuelta al
conjunto de láser y, al menos, un rayo de salida combinado que sale
del sistema de láser. Cada rayo combinado está formado por rayos
componentes derivados de los emisores respectivos y tienen una
dirección axial común. Los dispositivos primero y segundo de
realimentación de luz pueden proporcionar, sustancialmente, igual o
diferente reflectancia a la luz respecto de los correspondientes
lóbulos fuera de eje del mencionado diseño de distribución de
intensidad combinada. Cuando el segundo dispositivo de
realimentación de luz proporciona una reflectancia a la luz de un
lóbulo fuera de eje del citado diseño de distribución de intensidad
combinada, mayor que la que el primer dispositivo de realimentación
de luz le
proporciona a la luz de otro lóbulo fuera de eje del mencionado diseño, se proporciona una realimentación más eficaz.
proporciona a la luz de otro lóbulo fuera de eje del mencionado diseño, se proporciona una realimentación más eficaz.
El conjunto láser comprende una pluralidad de
emisores para emitir respectivas contribuciones al rayo láser
emitido, tal como una agrupación de láseres de diodos, una barra de
láseres de diodos, un láser de diodo segmentado o similar. En
particular, en tal sistema multiemisor que genera una pluralidad de
rayos láser incoherentes, se ha visto que una alineación mutua de
las direcciones de emisión predominantes de los emisores
individuales, mejora de forma considerable la eficacia y la
selectividad del sistema de realimentación, mejorando por tanto la
calidad del rayo de salida.
Como se ha mencionado en lo que antecede, el
rayo láser emitido incluye respectivas contribuciones de los
diferentes emisores de luz del conjunto de láser. En
correspondencia, la distribución espacial del rayo láser emitido es
un diseño de distribución de intensidad combinada con múltiples
lóbulos. Los lóbulos están posicionados fuera de ejes a cada lado
del eje óptico o principal del conjunto de láser, cuyo eje
principal se proyecta sustancialmente en perpendicular desde una
cara de salida del conjunto de láser. En algunas realizaciones,
cada emisor individual genera una contribución de rayo principal
que tiene múltiples lóbulos en su diseño de distribución de
intensidad de campo alejado, de tal modo que los lóbulos de la
distribución de intensidad combinada sean lóbulos combinados
correspondientes a los múltiples lóbulos espaciales de las
contribuciones de rayo principal individuales.
En una realización, el dispositivo de formación
de imágenes para generar una transformada de Fourier óptica de la
pluralidad de emisores incluye una disposición de lente constituida
por una o más lentes -también denominadas lente o lentes de
Fourier-, un espejo generador de imágenes, por ejemplo un espejo
cóncavo o convexo, o similares. En una realización, el dispositivo
generador de imágenes incluye un elemento colimador tal como una
lente colimadora. Generalmente, la lente o el sistema de lentes de
Fourier está posicionado en la trayectoria del rayo seguida por el
rayo láser principal emitido y define un plano de Fourier.
El plano de Fourier se define así, generalmente,
como el plano en que se obtiene la transformada de Fourier de la
cara de salida de los láseres. Este plano puede obtenerse, por
ejemplo, a una distancia igual a dos veces la distancia focal (2f)
desde la cara de salida del conjunto de láser, si una lente con una
distancia focal f está situada a una distancia f de la cara de
salida de los láseres.
En algunas realizaciones, el sistema comprende,
además, una o más lentes para colimación en el eje rápido.
En algunas realizaciones, se prevé un filtro
espacial en la cavidad externa de la segunda rama de realimentación
formado por el segundo dispositivo de realimentación, mejorándose
por tanto adicionalmente las propiedades espaciales del sistema de
láser. Se cree que esta mejora viene dada por el hecho de que el
filtrado espacial en la segunda rama de realimentación tiene un
efecto selectivo particularmente intenso sobre los modos
espaciales, ya que la segunda rama de realimentación proporciona la
realimentación más intensa si se la compara con la primera rama de
realimentación que genera el rayo de salida y, así, solamente
realimenta una parte bastante reducida del rayo láser.
En algunas realizaciones, el primero y/o el
segundo dispositivos de realimentación, incluyen o consisten en
una superficie reflectante no adaptable, por ejemplo, un espejo
plano, como un espejo dieléctrico. Sin embargo, pueden utilizarse
otras formas de dispositivos de realimentación de luz, incluyendo
un espejo curvado, un espejo conjugado en fase, o una retícula
reflectante.
En algunas realizaciones, el segundo dispositivo
de realimentación está destinado a realimentar uno o más modos
espaciales predeterminados de cada contribución del rayo láser
emitido, mejorando así las propiedades espaciales del rayo de
salida. En otra realización preferida, el segundo dispositivo de
realimentación comprende un segundo miembro reflectante,
preferiblemente en combinación con el filtro espacial para
seleccionar eficientemente uno o más modos predeterminados.
Cuando el segundo dispositivo de realimentación
que incluye dicho filtro espacial está destinado a realimentar
selectivamente uno o más modos espaciales que estén presentes en el
conjunto de láser de funcionamiento libre, las propiedades
espaciales de este sistema se ven mejoradas. En este caso, la
expresión "láser de funcionamiento libre" está destinada a
hacer referencia al conjunto de láser cuando se le hace funcionar
sin dispositivo de realimentación alguno.
Aún cuando puede preverse la realimentación para
más de un modo espacial, se prefiere realimentar sustancialmente
un modo espacial único, ya que tal realimentación selectiva tiene
como consecuencia la máxima mejora de la coherencia espacial del
rayo de salida.
En una realización particularmente preferida,
el segundo dispositivo de realimentación comprende un segundo
elemento reflectante que incluye un área reflectante; y en el que
el filtro espacial está formado por una parte de borde de dicha
área reflectante próxima al eje principal. El segundo elemento
reflectante está posicionado en la trayectoria del rayo, en un lado
del eje principal de tal forma que la parte de borde situada en
posición proximal con respecto al eje principal, se encuentre a
una distancia angular predeterminada del eje principal.
Consiguientemente, sólo una parte angular predeterminada del rayo
emitido, correspondiente a un ángulo mayor que un ángulo de corte
inferior predeterminado con relación al eje principal, es reflejada
y realimentada al conjunto de láser por el segundo elemento
reflectante, mientras que las contribuciones del rayo central de la
distribución de intensidad de lóbulos gemelos son eliminadas por
filtrado. Una ventaja de esta disposición es que no se necesitan
partes adicionales de filtro de bloqueo para bloquear las partes
del rayo central con el fin de evitar que alcancen el espejo, ya
que tales partes de filtro adicionales pueden bloquear otras partes
del rayo emitido y, así, impedir una alineación apropiada del
sistema de láser. En algunas realizaciones, el filtro espacial
bloquea, además, las contribuciones de rayo angulares por encima
de un ángulo de corte superior predeterminado, es decir, la parte
más exterior del rayo. Esto último es particularmente ventajoso en
combinación con un conjunto de láser con emisores anchos.
En una realización, la reflectividad del segundo
elemento reflectante es mayor que el 95%, preferiblemente mayor
que el 98%, del modo más preferible mayor que el 99%,
proporcionando por tanto una realimentación intensa. Sin embargo,
es posible utilizar reflectividades más bajas.
Alternativa o adicionalmente, puede disponerse
un filtro espacial en la primera rama de realimentación. En otra
realización preferida, puede preverse un filtrado espacial
adicional en la primera rama de realimentación. En particular, en
algunas realizaciones, el primer dispositivo de realimentación
comprende un filtro espacial adicional destinado a bloquear modos
espaciales del primer rayo redirigido, cuyos modos espaciales
corresponden a contribuciones angulares que forman un ángulo con
relación al eje principal que es menor que un ángulo de corte
inferior, aumentándose por tanto la eficacia y la selectividad del
sistema de realimentación.
Se ha visto que se consigue una calidad
particularmente elevada en la salida cuando el filtro está
destinado a bloquear al menos las partes más internas del rayo
láser, es decir, la parte que se encuentra en posición proximal
respecto del eje principal.
Cuando el primer dispositivo de realimentación
está destinado a realimentar de manera predominante una
contribución angular/direccional respectiva de cada una de dichas
contribuciones de rayo a uno correspondiente de la pluralidad de
emisores desde los que se emitió dicha contribución
angular/direccional en un ángulo de salida/dirección
predeterminado, las direcciones preferidas de emisión de cada uno
de los emisores están mutuamente alineadas, aún cuando las
contribuciones de los emisores individuales sean mutuamente
incoherentes. En particular, se hace que cada emisor emita,
predominantemente, luz con un ángulo de emisión correspondiente al
ángulo de incidencia de la contribución del rayo seleccionada por
el segundo dispositivo de realimentación. Se ha visto que esta
alineación mejora considerablemente la eficacia y la selectividad
de la realimentación fuera de ejes del segundo circuito de
realimentación y, así, las propiedades espaciales del rayo de
salida resultante. Consiguientemente, una ventaja del invento es
que mejora la coherencia espacial del rayo en el segundo
dispositivo de realimentación.
En este caso, la expresión "realimentar
predominantemente" está destinada a referirse a una
realimentación selectiva de una contribución angular/direccional
predeterminada, en particular una dirección de reflexión
preferida/predo-
minante. Sin embargo, ha de comprenderse que otras contribuciones direccionales pueden experimentar, asimismo, cierta realimentación, pero en grado considerablemente menor, de preferencia menor en un factor de 5 o
más.
minante. Sin embargo, ha de comprenderse que otras contribuciones direccionales pueden experimentar, asimismo, cierta realimentación, pero en grado considerablemente menor, de preferencia menor en un factor de 5 o
más.
La combinación del elemento reflectante y el
dispositivo de dispersión del primer dispositivo de realimentación,
hace que la luz emitida desde una región predeterminada del área de
emisión de luz, por ejemplo desde uno de los emisores de un láser
de diodo segmentado, sea realimentada predominantemente a la misma
región y, sustancialmente, con el mismo ángulo. Consiguientemente,
las direcciones de emisión preferidas de las diferentes regiones
están mutuamente alineadas, mejorándose por tanto la eficacia de la
realimentación del segundo dispositivo de
realimentación.
realimentación.
En una realización particularmente preferida,
el primer dispositivo de realimentación está destinado a reflejar
al menos parte de la contribución de primer orden del primer rayo
redirigido de vuelta al dispositivo de dispersión. Como la
contribución de primer orden del rayo redirigido muestra
dispersión, reflejar la contribución de primer orden proporciona
una realimentación de longitud de onda selectiva por el primer
elemento reflectante, en cooperación con el dispositivo de
dispersión.
El dispositivo de dispersión puede incorporarse
en la práctica como una o más retículas u otro/otros dispositivos
difractivos o cualquier otro dispositivo óptico adecuado para
generar un rayo redirigido espectralmente selectivo.
Preferiblemente, el dispositivo de dispersión proporciona, al
menos, una retícula de difracción, por ejemplo, una retícula
reflectante. Otros ejemplos de dispositivos de dispersión incluyen
un holograma reflectante, una retícula de transmisión, un holograma
de transmisión o un prisma de dispersión o similares. Cuando el
dispositivo de dispersión se incorpora en la práctica como una
única retícula, el número de componentes se mantiene bajo y se
consigue una disposición compacta. Además, el uso de una retícula
única proporciona una elevada estabilidad contra vibraciones,
fluctuaciones de temperatura, etc.
En otra realización preferida, el dispositivo
de dispersión está destinado a emitir más potencia óptica en la
contribución de primer orden del rayo redirigido que en la
contribución de orden cero del rayo redirigido, incrementando por
tanto adicionalmente la eficacia de la realimentación y la potencia
emitida del sistema de láser.
En todavía otra realización preferida, el primer
dispositivo de realimentación está destinado a reflejar una parte
del rayo redirigido que es emitido desde el dispositivo de
dispersión con un ángulo predeterminado, seleccionando por tanto
diferentes longitudes de onda para las distintas regiones del área
de emisión de luz del conjunto de láser y garantizando una
propagación en la misma dirección de los componentes del rayo desde
las distintas
regiones.
regiones.
En una realización, el primer dispositivo de
realimentación incluye un primer elemento reflectante, por ejemplo,
una placa reflectante plana. El primer elemento reflectante está
destinado a reflejar una parte de realimentación del primer rayo
redirigido de vuelta al miembro de dispersión y a generar un rayo
de salida desde una parte de salida del primer rayo redirigido. Por
ello, el primer elemento reflectante funciona como acoplador de
salida.
En otra realización, la reflectividad del primer
elemento reflectante es, aproximadamente, de entre un 5 y un 25%,
lo que hace que, aproximadamente, entre un 75 y un 95% de la luz
que alcanza el primer elemento reflectante sea transmitida como
rayo de salida. Se ha visto que, en algunas situaciones, por
ejemplo, en el caso de una alineación particularmente precisa del
sistema de láser y/o en combinación con láseres de ganancia
elevada, la reflectividad del elemento reflectante puede reducirse,
por ejemplo, por debajo del 10%, aumentando así la potencia de
salida mientras se mantiene una elevada calidad del rayo. En
consecuencia, en una realización, la reflectividad del primer
elemento reflectante es, aproximadamente, de entre un 1 y un 25%,
por ejemplo de entre un 1 y un 5%, entre un 5 y un 8%, entre un 5 y
un 9%, entre un 5 y un 10% o entre un 5 y un 15% y el primer
elemento reflectante está destinado a hacer, en esencia, que la
fracción restante correspondiente de la luz que llega al primer
elemento reflectante, sea transmitida como un rayo de salida.
Otras realizaciones preferidas se describen en
las reivindicaciones dependientes.
\newpage
Los anteriores y otros aspectos del invento
resultarán evidentes y se aclararán a partir de las realizaciones
descritas en lo que sigue con referencia a los dibujos, en los
que:
la fig. 1 muestra una vista esquemática de un
láser de diodo segmentado;
la fig. 2 muestra una vista esquemática de una
realización de un sistema de láser con una cavidad externa que
incluye un dispositivo de formación de imágenes, un dispositivo de
dispersión, un acoplador de salida y un dispositivo de
realimentación, en el que el dispositivo de dispersión está
posicionado desplazado respecto del plano de Fourier definido por
el dispositivo de formación de imágenes;
la fig. 3 ilustra una vista esquemática de una
realización de un sistema de láser con una cavidad externa que
incluye un dispositivo de formación de imágenes, un dispositivo de
dispersión, un acoplador de salida y un dispositivo de
realimentación, en el que el dispositivo de dispersión está
posicionado desplazado respecto del plano de Fourier definido por
el dispositivo de formación de imágenes;
la fig. 4 muestra valores de M^{2} medidos en
función de la distancia entre lente y retícula para combinar rayos
espectrales con una lente de f=80 mm;
la fig. 5 muestra diferentes perfiles de rayo
del rayo de salida enfocado en I=2,2A;
la fig. 6 representa una vista esquemática de
todavía otra realización de un sistema de láser con una cavidad
externa que incluye un dispositivo de formación de imágenes, un
dispositivo de dispersión, un acoplador de salida y un dispositivo
de realimentación, en el que el dispositivo de dispersión está
posicionado desplazado respecto del plano de Fourier definido por
el dispositivo de formación de imágenes.
En los dibujos, signos de referencia similares
corresponden a componentes, elementos o similares, iguales o
parecidos.
La fig. 1 muestra una vista esquemática de un
láser de diodo segmentado. La fig. 1a representa una vista en
perspectiva de un diodo láser y la fig. 1b muestra una sección
transversal de un diodo láser. Generalmente, en un diodo láser
segmentado, la franja emisora está dividida en varios segmentos
124, es decir, la franja emisora comprende varias regiones que
están separadas por áreas no emisoras. Con este fin, el emisor se
divide en varias subsecciones 125, por ejemplo introduciendo
defectos en el material de generación del láser o introduciendo
tales períodos en los electrodos 127. Por ello, la cara 126 de
emisión de luz, denominada también cara frontal, del diodo láser
comprende una secuencia de varios emisores 124 separados, situados
uno junto a otro. El resultado de esto es un área de emisión de luz
en la cara frontal de dimensión considerablemente mayor en la
dirección de la secuencia de emisores (la dirección del eje X del
sistema de coordenadas 112 en la fig. 1) que en dirección ortogonal
a la dirección de los emisores (la dirección del eje Y), es decir,
un emisor de área ancha. Por ejemplo, la longitud total de la
franja segmentada en la dirección X puede ser de varios centenares
de micras o, incluso, hasta de varios milímetros, por ejemplo de
0,5 a 3 mm, mientras que la anchura de la franja en la dirección
del eje Y es, típicamente, del orden de unas pocas micras, por
ejemplo de 0,5 a 5 \mum.
Típicamente, la cara trasera 123 del diodo
láser esta recubierta con un revestimiento altamente reflectante,
mientras que la cara frontal está recubierta con un revestimiento
parcialmente reflectante.
Durante el funcionamiento, se aplica una
corriente de activación a los electrodos 127 mediante los
contactos eléctricos 128. Consiguientemente, dicha franja de área
ancha da como resultado la emisión de una gran potencia óptica
desde el diodo. Sin embargo, las propiedades espaciales emitidas de
la calidad del rayo emitido en la dirección de la franja (dirección
X), el denominado eje lento, son considerablemente peores que en la
dirección transversal a la franja (dirección Y), el denominado eje
rápido.
En la dirección del eje lento, la distribución
de la luz de cada contribución del rayo emitido, tiene una
estructura amplia que es el resultado de la superposición de una
pluralidad de modos espaciales o transversales, cada uno de los
cuales tiene una estructura de lóbulos gemelos con lóbulos
respectivos a cada lado del eje óptico que define un eje principal
del diodo láser. Cada modo transversal radia, predominantemente,
con un ángulo de emisión correspondiente, dando como resultado una
amplia distribución global de la luz.
La fig. 2 muestra una vista esquemática de una
realización de un sistema de láser con una cavidad externa que
incluye un dispositivo de formación de imágenes, un dispositivo de
dispersión, un acoplador de salida y un dispositivo de
realimentación, de los que el dispositivo de dispersión está
posicionado desplazado respecto del plano de Fourier definido por
el dispositivo de formación de imágenes. El sistema de láser
comprende un láser de diodo de área ancha, segmentado, 101, por
ejemplo un láser de diodo como el representado en la fig. 1. El
diodo láser emite un rayo láser principal 200 que tiene un eje
lento en el plano del dibujo (dirección X) y un eje rápido que
apunta fuera del plano del dibujo (dirección Y). El sistema de
láser comprende, además, una microlente 202 unida a la cara frontal
del láser de diodo 101. La microlente colima el rayo láser 200
emitido a lo largo del eje rápido. El sistema de láser comprende,
además, una lente 213, por ejemplo, una lente cilíndrica, para
colimar/enfocar el rayo láser 200 emitido a lo largo del eje lento.
Como se ha descrito en lo que antecede, el diodo láser 101 emite un
rayo láser que tiene una distribución de intensidad ancha a lo
largo del eje lento, correspondiente a la superposición de una
pluralidad de modos espaciales desde cada emisor con estructuras de
lóbulos gemelos alrededor del eje óptico 230. En la fig. 2 esto se
ilustra mediante las trayectorias 203 y 204 del rayo, que
representan lóbulos respectivos de la distribución de lóbulos
gemelos emitida desde los emisores individuales. La lente
cilíndrica 213 está destinada a funcionar como una lente Fourier
que define un plano de Fourier como se indica con la línea
interrumpida 235 a una distancia de 2f del láser de diodo, siendo f
la distancia focal de la lente cilíndrica 213. El sistema de láser
comprende, además, dos circuitos de realimentación óptica: un
primer circuito de realimentación óptica comprende un espejo 232
parcialmente reflectante, mientras que un segundo circuito de
realimentación comprende un reflector 208, por ejemplo, un espejo,
que proporcione realimentación óptica a una parte del rayo láser
que corresponde a una parte de uno de los
lóbulos.
lóbulos.
La realimentación fuera de ejes en un lóbulo
204 hace que, predominantemente, se seleccione un modo de
frecuencia espacial del rayo multimodo procedente de cada emisor y
sea realimentada al área activa del láser. La realimentación hace
que sea amplificado el otro lóbulo 203 (es decir, el lóbulo de
salida) del modo seleccionado y que todos los otros modos sean
suprimidos efectivamente. Consiguientemente, la coherencia espacial
de cada uno de los segmentos de la barra segmentada se mejora
utilizando realimentación fuera de ejes. Por ello, la
realimentación fuera de ejes también se denomina bloqueo por
autoinyección fuera de ejes. Ha de observarse que las
contribuciones de los rayos procedentes de los emisores
individuales se solapan y pueden ser temporalmente incoherentes
unas con respecto a otras. En esta realización, la realimentación
fuera de ejes es proporcionada por el espejo
208.
208.
El sistema de láser comprende, además, una
retícula de difracción 205 posicionada para recibir el rayo
principal 200 colimado y para difractar el rayo recibido dando como
resultado un rayo difractado con un componente de orden cero (no
mostrado en la fig. 2) y un componente de primer orden emitidos en
ángulos respectivos desde la retícula. El eje principal del
componente de primer orden emitido en la dirección del espejo 232
parcialmente transmisor y el espejo de realimentación 208 se
ilustra con la línea de trazos 231. El espejo 232 parcialmente
transmisor está situado con el fin de reflejar el componente de
primer orden de, al menos, el rayo difractado correspondiente al
lóbulo 203 de vuelta a la retícula. Consiguientemente, la retícula
difracta el rayo reflejado de vuelta al diodo láser 101. El espejo
232 es parcialmente reflectante y parcialmente transmisor,
haciendo que parte de la componente difractada de primer orden 231
sea emitida como salida desde el sistema de láser en forma de rayo
de salida 233. El espejo 232 parcialmente transmisor refleja, de
preferencia, del 10% al 25% del rayo difractado 231 y transmite del
90%
al 75%.
al 75%.
Cada uno de los rayos 203 procedentes de los
respectivos emisores del láser de diodo 101 incide con un ángulo
específico sobre la retícula 205. La retícula 205 difracta las
diversas longitudes de onda del rayo emisor en ángulos ligeramente
diferentes, ya que el ángulo con el que es emitido el rayo
difractado de primer orden depende de la longitud de onda y del
ángulo de incidencia de los componentes del rayo. El espejo 232
hace que sólo luz en un ángulo específico y, por tanto, con una
longitud de onda específica, sea acoplada de vuelta a través de la
retícula, al emisor. Consiguientemente, la combinación de la
retícula 205 y el espejo 232 selecciona diferentes longitudes de
onda para los diversos emisores y garantiza la propagación en la
misma dirección de los rayos individuales. Además, como la luz
reflejada es difractada de nuevo por la retícula 205 al diodo
láser, las contribuciones de cada emisor son parcialmente
difractadas de vuelta al mismo emisor. Por ello, cada emisor emite
una contribución de rayo en un ángulo -\alpha con respecto al eje
principal/óptico 230, cuyo ángulo está determinado por el ángulo de
incidencia +\alpha del rayo de realimentación correspondiente. Ha
de observarse que la retícula 205 se utiliza en una denominada
configuración Littman (véase, por ejemplo, M.G. Littman y otros,
"Láser de tinte pulsatorio espectralmente estrecho sin expansor
de rayo", Applied Optics, vol. 17, Bo. 14, págs.
2224-2227).
Preferiblemente, la retícula 205 está destinada
a emitir más potencia óptica en la contribución de primer orden del
rayo redirigido que en la contribución de orden cero del rayo
redirigido. Por ejemplo, la retícula puede ser una retícula con
relieve superficial producida, por ejemplo, por holografía o
grabación directa con láser en fotorresistencia, siendo transferida
subsiguientemente la estructura a, por ejemplo, un material
polímero o de vidrio a través de un proceso de replicación. Otros
ejemplos de retículas adecuadas incluyen las denominadas retículas
brillantes.
Por ello, el primer circuito de realimentación
selecciona, efectivamente, una dirección dada de los rayos emitidos
desde todos los elementos emisores individuales del láser de diodo,
proporcionando así un filtrado espacial mejorado en la segunda
cavidad de realimentación fuera de ejes.
El espejo 208 está formado como una franja de
espejo estrecha provista, preferiblemente, de un borde más interior
288 afilado, que bloquea, por tanto, la parte central de la
distribución de intensidad, es decir, los modos espaciales que
tienen una distancia angular pequeña desde el eje óptico/principal
230 del diseño de distribución multilobular. Preferiblemente, la
franja de espejo incluye, además, un borde afilado 289
periférico/más exterior, proporcionando por tanto un efecto de
filtro espacial tanto en la parte más interior como en la parte más
exterior de la trayectoria 207 del rayo sin bloquear otras partes
de los rayos láser. La expresión "más interior" está destinada
a definir la parte del rayo láser situada en posición proximal
respecto al eje principal/óptico 231 del rayo difractado de primer
orden, y la expresión "más exterior" está destinada a definir
la parte del rayo situada en posición distal respecto del eje
óptico 231. Por ello, la franja de espejo 208 proporciona un
filtrado espacial del rayo láser que es realimentado y, así, hace
posible conseguir una selección más eficaz de uno o más modos
espaciales individuales de la estructura multimodo. El filtrado
espacial de los rayos láser emitidos en la segunda rama de
realimentación es ventajoso ya que es en esta rama donde se obtiene
la realimentación más intensa (próxima al 100%). Especialmente, es
deseable tener un efecto de filtro espacial en la parte más interior
de la trayectoria 207 del rayo con el fin de suprimir efectos de
realimentación no deseados de los modos de frecuencia espacial en
la parte central de los rayos difractados de primer
orden.
orden.
Con el fin de conseguir una realimentación fuera
de ejes eficaz a partir del segundo circuito de realimentación, es
deseable que el espejo 208 tenga una elevada reflectividad, próxima
al 100%.
El sistema de láser comprende, además, un filtro
236 situado en la trayectoria del rayo difractado con el fin de
bloquear la parte central del rayo difractado de primer orden. Se
ha visto que el filtrado espacial de la primera rama de
realimentación es menos importante, ya que esta rama tiene un
efecto de realimentación significativamente más débil (del 10% al
25%). Sin embargo, además del filtrado espacial en la segunda rama
de realimentación, el filtrado espacial en la primera rama de
realimentación mejora aún más, en cierta medida, la calidad del
rayo de salida. Tal efecto de filtrado se obtiene, por ejemplo,
mediante el filtro 236 que bloquea, predominantemente lóbulos de
modo de los modos de frecuencia espacial en la parte central de los
rayos difractados de primer orden. También es posible aplicar el
sistema de láser con un filtrado espacial adicional de la parte más
exterior del rayo difractado 231. Esto puede tener un efecto menor
sobre la calidad del rayo de salida (mejora inferior al 5%). Sin
embargo, en la práctica puede resultar difícil aplicar el sistema
de láser con tal filtro sin bloquear parte del rayo de salida. De
preferencia, el filtro 236 se coloca después, es decir, aguas
abajo, del espejo 208. El filtro 236 garantiza que sólo la luz de
un lóbulo 203 llega al espejo 232, mejorando por tanto la
selectividad de la realimen-
tación.
tación.
Se cree que el mecanismo subyacente del sistema
de láser descrito en este documento consiste en el bloqueo por
autoinyección fuera de ejes de los segmentos individuales del láser
de diodo a lo largo del eje lento, en combinación con un
multiplexado de longitud de onda.
Generalmente, en el bloqueo por autoinyección
fuera de ejes de láseres de diodo de área ancha, se selecciona un
lóbulo espacial y se realimenta al láser de diodo. Por tanto, el
otro lóbulo espacial es amplificado y se suprimen otros modos
espaciales. En el sistema de láser descrito en esta memoria, el
bloqueo por autoinyección fuera de ejes se proporciona para cada
emisor individualmente. Esto se consigue disponiendo un espejo en
el rayo difractado de primer orden procedente de la retícula.
De acuerdo con realizaciones del presente
invento, la retícula y el acoplador de salida se utilizan en una
configuración fuera de ejes, en la que están destinados a
realimentar solamente parte del rayo láser. Debido a la combinación
de la realimentación fuera de ejes y a la realimentación de
dirección selectiva, el rayo de salida 233 tiene una distribución
espacial estrecha que puede enfocarse en una traza de pequeño
tamaño, como se ilustra mediante la curva 234. Ha de observarse que
el sistema de láser descrito en este documento lleva a obtener una
coherencia espacial del rayo de salida global que es aún mejor que
la coherencia espacial de los elementos individuales del diodo
segmentado, en contraste con el método sugerido por Daneau y otros
(véase antes) en el que la mejora global no puede ser mejor que la
coherencia espacial de cada elemento.
En contraste con la combinación estándar de
rayos espectrales, la retícula 205 está posicionada desplazada
respecto del plano de Fourier 235. En particular, en esta
realización, la retícula está desplazada respecto del plano de
Fourier 235 a lo largo del eje principal 230 y en dirección a la
lente 213. Por ello, en esta realización, la distancia x entre la
lente 213 y la retícula 205 es menor que la distancia focal f de la
lente 213. Generalmente, el desplazamiento de la retícula u otro
dispositivo de dispersión se determina, convenientemente como la
distancia d entre las respectivas intersecciones del eje principal
230 con una superficie activa/difractora 209 del dispositivo de
dispersión y con el plano de Fourier 235.
Además, la posición axial del espejo de
realimentación, la posición axial del filtro espacial adicional y
la posición axial del acoplador de salida carecen de influencia
significativa sobre la calidad del rayo de salida.
La fig. 3 muestra una vista esquemática de otra
realización de un sistema de láser con una cavidad externa que
incluye un dispositivo de formación de imágenes, un dispositivo de
dispersión, un acoplador de salida y un dispositivo de
realimentación, de los que el dispositivo de dispersión está
posicionado desplazado respecto del plano de Fourier definido por
el dispositivo de formación de imágenes. El sistema de láser de la
fig. 3 incluye los mismos componentes que la realización descrita
en conexión con la fig. 2, y los componentes están posicionados de
la misma forma general, excepto porque en esta realización, la
retícula 205 está desplazada respecto del plano de Fourier 235 a lo
largo del eje principal 230 y en dirección contraria a la lente 213.
Por ello, en esta realización, la distancia x entre la lente 213 y
la retícula 205 es mayor que la distancia focal f de la lente 213.
Como puede verse a partir de la fig. 3, una distancia x mayor
permite que el ángulo formado entre el eje principal 230 del rayo
principal 200 emitido y el eje principal 231 del rayo difractado,
sea menor sin que el rayo difractado 233 sea bloqueado por la lente
213, permitiendo por tanto una disposición general más esbelta. El
ángulo comprendido entre los ejes principales 230 y 231 viene
determinado por la orientación y el tipo de la retícula 205.
Generalmente, cuanto mayor sea el desplazamiento
de la retícula respecto del plano de Fourier, más compacto puede
hacerse el sistema de láser, por ejemplo acortando el sistema según
el eje principal cuando se desplaza la retícula hacia la lente, o
proporcionando una disposición más esbelta cuando se desplaza la
retícula separándola de la lente 213. Para proporcionar un efecto
notable sobre el tamaño del sistema de láser, se prefiere que el
desplazamiento sea mayor que el tamaño de la proyección del área
activa de la retícula sobre el eje principal 230. En este caso, la
expresión "área activa" se refiere a la parte de la superficie
209 que es iluminada por el rayo 200.
Se ilustrará ahora, por medio de un ejemplo, el
efecto de posicionar el dispositivo de dispersión con respecto al
plano de Fourier. En este ejemplo, se utiliza un sistema de láser
como el ilustrado en las figs. 2 y 3 con un láser 101 de diodo que
funciona a 808 nm y con una potencia de salida máxima de 5 W. El
láser 101 de diodo era un láser de área ancha con un volumen activo
de 500 \mum\times1 \mum\times1 mm
(anchura\timesaltura\timeslongitud), dividido en 5 segmentos
emisores/activos separados. Se unió una microlente cilíndrica 202 a
la cara frontal del láser para colimar el eje rápido del rayo
láser. La cavidad externa incluía una lente cilíndrica 213, una
retícula de difracción 205, un acoplador de salida 232, un espejo
208, y un filtro espacial 236. La lente 213 tenía una distancia
focal de f=80 mm y estaba posicionada para colimar el rayo emitido
a lo largo del eje lento. La retícula 205 era una retícula dorada
con una separación recíproca entre franjas de 1200 franjas/mm y con
una eficacia de difracción del 86%. El acoplador de salida 232 era
un espejo plano parcialmente reflectante con una reflectividad del
18%. El espejo 208 era un espejo dorado situado en el trayecto del
rayo difractado de primer orden. El filtro espacial 236 está
colocado detrás del espejo dorado
208.
208.
Esta disposición general se utilizó para medir
el factor M^{2} de calidad del rayo así como los perfiles del
rayo de salida para diferentes configuraciones, como se explicará
ahora con referencia a las figs. 4 y 5.
La fig. 4 muestra valores de M^{2} medidos en
función de la distancia entre retícula y lente para la combinación
espectral de rayos con una lente de f=80 mm. Empleando el sistema
de láser del ejemplo anterior, pero con el espejo de realimentación
208 y el filtro espacial 236 retirados del sistema, se midió el
parámetro de calidad M^{2} para varias distancias x diferentes
(en mm) entre la retícula 205 y la lente 213. Como la distancia
focal de la lente, en este ejemplo, era f=80 mm, la distancia x=80
mm (indicada por el número de referencia 401) corresponde a una
configuración estándar de combinación espectral de los rayos, es
decir, sin realimentación por autoinyección fuera de ejes, ya que
para esta medición, se retiraron el espejo 208 y el filtro 236, y
con la retícula 205 posicionada en el plano de Fourier 235. La
fig. 4 muestra, además, el resultado para un número de mediciones
de M^{2} con la retícula 205 desplazada hacia la lente,
correspondientes a las distancias x en el intervalo comprendido
entre 78 mm y 79,9 mm.
El parámetro de calidad del rayo se determinó a
partir de perfiles de rayo medidos por medio de un analizador de
rayos a lo largo de un foco del eje lento. Para este fin se enfocó
el rayo de salida en el eje lento con una lente cilíndrica (f=60
mm). Se determinó el valor de M^{2} midiendo el diámetro
D_{e}(z) de un rayo FWHM con una intensidad de 1/e^{2}
en función de la distancia z desde un plano de referencia
arbitrario, cuando se movía el analizador de rayos a través del
punto focal en una distancia del orden de un margen de Rayleigh.
Para obtener valores de M^{2}, se establecieron los diámetros de
los rayos medidos a lo largo del foco mediante la siguiente
ecuación, a fin de obtener el valor
de M^{2}:
de M^{2}:
D_{e}(z) = (D_{0} ^{2}
+(4M^{2}\lambda/(\piD_{0}))^{2} \cdot
(z-z_{0})^{2})^{1/2}
donde D_{0} es el diámetro de
cintura del rayo al nivel 1/e^{2}, \lambda es la longitud de
onda del láser y z_{0} es la posición de la cintura del
rayo.
Como puede verse a partir de la fig. 4, la
calidad del rayo en la combinación espectral de los rayos es
bastante sensible a los desplazamientos de la retícula respecto del
plano de Fourier. Incluso un desplazamiento del 1% de la distancia
focal, es decir, a x=79,2 mm, como se indica mediante el número de
referencia 402, tiene como consecuencia un notable incremento de
M^{2} de, aproximadamente, un 10% del valor mínimo de M^{2} a
x=80 mm. Un desplazamiento de, aproximadamente, un 2% (como se
indica mediante el número de referencia 403) tiene como
consecuencia un incremento de M^{2} en un factor de,
aproximadamente, 3. Por ello, cuando el desplazamiento es de, al
menos, un 2-5% de la distancia focal, el efecto
sobre la combinación espectral de rayos, en términos de mejora de
M^{2}, se reduce considerablemente.
Sin embargo, como se ha descrito en este
documento, cuando se introduce el segundo espejo de realimentación
208 en el rayo difractado 207, la sensibilidad antes los
desplazamientos de la retícula, desaparece sustancialmente.
En general, en algunas realizaciones se ha visto
que el dispositivo de dispersión puede ser desplazado con el fin
de incrementar un valor medido de M^{2} del rayo de salida del
sistema de láser, en comparación con un valor de M^{2} mínimo,
correspondiente medido cuando el dispositivo de dispersión está
situado sustancialmente en el plano de Fourier, en al menos un
factor de 2, de preferencia en, al menos, un factor de 3, más
preferiblemente en, al menos un factor de 4; midiéndose dichos
valores de M^{2} con el segundo dispositivo de realimentación
inactivado/retirado. Tales desplazamientos no reducen notablemente
la calidad del rayo de salida.
\newpage
La insensibilidad observada frente a los
desplazamientos de la retícula se ilustra mediante los resultados
resumidos en la siguiente Tabla 1:
\vskip1.000000\baselineskip
Todos los datos se obtuvieron con
una corriente de activación de 2,2
A
\vskip1.000000\baselineskip
La Tabla 1 muestra los valores de M^{2}
obtenidos para diferentes configuraciones (configuraciones
enumeradas del 1 al 8, véase más adelante) del sistema de láser
del ejemplo anterior, para diferentes potencias de salida del diodo
láser y para diferentes distancias x entre la retícula y la lente.
La columna titulada "Potencia de salida" corresponde a la
potencia de salida del rayo difractado de primer orden 233. En la
configuración 1, la potencia de salida se mide inmediatamente
detrás de la lente que colima el eje rápido del diodo láser.
En particular, se han realizado mediciones sobre
el láser con las siguientes configuraciones:
- Configuración 1:
- Funcionamiento libre (FR), es decir, el diodo láser sin realimentación alguna.
- Configuración 2:
- El láser con combinación espectral de los rayos (SBC) optimizada para un M^{2} bajo con la retícula 205 situada en el plano de Fourier 235. El espejo 208 y el filtro espacial 236 retirados del sistema.
- Configuración 3:
- El láser con SBC optimizada y filtrado espacial, es decir, con filtros espaciales insertados en ambos lados del rayo difractado de primer orden.
- Configuración 4:
- El láser con SBC optimizada y realimentación por espejo, es decir, con el espejo 208 y el filtro espacial 236 insertados.
- Configuración 5:
- El láser con SBC y con la retícula 205 situada antes del plano de Fourier 235, es decir, desplazada hacia la lenta 213, como se muestra en la fig. 2.
- Configuración 6:
- El láser con SBC y con la retícula 205 situada antes del plano de Fourier 235 y con realimentación por espejo, es decir, con el espejo 208 y el filtro espacial 236 como se muestra en la fig. 2.
- Configuración 7:
- El láser con SBC con la retícula 205 situada después del plano de Fourier 235.
- Configuración 8:
- El láser con SBC con la retícula 205 situada después del plano de Fourier 235 y realimentación por espejo a partir del espejo 208 y el filtro espacial 236, como se muestra en la fig. 3.
Como puede observarse a partir de los resultados
contenidos en la Tabla 1, en un amplio intervalo de
desplazamientos, el parámetro de calidad del rayo y la potencia de
salida son bastante insensibles a la distancia entre la lente
colimadora 213 y la retícula de difracción 205 (como puede verse,
por ejemplo, a partir de una comparación de los resultados para la
Configuración 4 con las Configuraciones 6 y 8, respectivamente).
Las diferencias caen dentro de los límites de incertidumbre de las
mediciones. Incluso para desplazamientos mayores del
20-30% de la distancia focal, no se ha observado una
reducción significativa de la calidad del rayo.
Una comparación de la Configuración 2 con las
Configuraciones 5 y 6, respectivamente, muestra los mismos
resultados que se ofrecen en la fig. 4, es decir, la acusada
sensibilidad de la combinación espectral de los rayos solamente a
la posición de la retícula.
Además, la Tabla 1 muestra que el sistema de
láser con realimentación fuera de ejes y la realimentación sensible
a la dirección debidas a la combinación de espejos y retícula,
reduce considerablemente el valor de M^{2} en comparación con un
sistema con combinación espectral de los rayos solamente (como
puede verse, por ejemplo, a partir de una comparación de los
resultados de las Configuraciones 2 y 4).
La fig. 5 muestra diferentes perfiles de
intensidad del rayo a lo largo del eje lento del rayo de salida
enfocado con I=2,2 A. Para conseguirlos, se colocó un analizador de
rayos en la trayectoria del rayo de salida de diferentes
configuraciones del sistema de láser del ejemplo anterior. Las
curvas de distribución de intensidad representadas en la fig. 5
ilustran la intensidad del rayo en unidades arbitrarias en función
del desplazamiento radial (en \mum) respecto de un punto de
referencia arbitrario.
La fig. 5a muestra el perfil de rayos del láser
de funcionamiento libre correspondiente a la "Configuración 1"
anterior. La fig. 5b muestra el perfil de rayos del láser con
combinación espectral de los rayos optimizada (M^{2}=9),
correspondiente a la "Configuración 2" anterior. La fig. 5c
ilustra el perfil de rayos del láser con combinación espectral de
los rayos optimizada y realimentación por espejo (M^{2}=2,4)
correspondiente a la "Configuración 4" anterior. Finalmente,
la fig. 5d muestra el perfil de rayos del láser con la retícula
situada antes del plano de Fourier (x=60 mm) y realimentación por
espejo (M^{2}=2,35), correspondiente a la anterior
"Configuración 6".
Una comparación de las figs.
5a-d muestra que los perfiles de rayo de las
figuras 5c y 5d son casi idénticos, es decir, incluso un marcado
desplazamiento de la retícula en un sistema con realimentación
fuera de ejes por autoinyección, adicional, no reduce
significativamente la calidad del rayo de salida.
La fig. 6 muestra una vista esquemática de
todavía otra realización de un sistema de láser con una cavidad
externa que incluye un dispositivo de formación de imágenes, un
dispositivo de dispersión, un acoplador de salida y un dispositivo
de realimentación, en el que el dispositivo de dispersión está
posicionado desplazado respecto del plano de Fourier definido por
el dispositivo de formación de imágenes. El sistema de láser de la
fig. 6 incluye los mismos componentes que la realización descrita
en conexión con la fig. 2, y los componentes están situados de la
misma forma general a excepción de que, en esta realización, la
retícula 205 está desplazada aún más lejos del plano de Fourier 235
a lo largo del eje principal 230 y en dirección a la lente 213. En
esta realización, el desplazamiento d es mayor del 50% de la
distancia focal f. Además, en esta realización, la retícula 205
está orientada en un ángulo, con relación a un plano 287
perpendicular al eje óptico 230, mayor en comparación con la
realización de la fig. 2. Consiguientemente, el rayo 233 difractado
de primer orden se dirige, formando un ángulo próximo a 90º con
relación al eje óptico, hacia el acopiador de salida 232 y el
espejo 208, evitándose así que el rayo difractado sea bloqueado por
la lente 213 o por otros componentes del sistema.
La realización de la fig. 5 proporciona, así,
una disposición particularmente compacta, en la que la retícula
puede llevarse tan cerca de la lente 213 como sea geométricamente
posible, es decir, hasta que la retícula toque, realmente, a la
lente. Esta realización proporciona además una selectividad
particularmente alta de la longitud de onda, como se ha descrito en
lo que antecede.
Si bien se han descrito y se han ilustrado
realizaciones preferidas del presente invento, éste no queda
limitado a ellas sino que, también, puede ser llevado a la práctica
de otras formas dentro del alcance de la materia definida en las
reivindicaciones siguientes.
En particular, en las anteriores realizaciones,
el filtro espacial y el reflector del segundo dispositivo de
realimentación están integrados en un solo elemento, a saber, en
forma de franja especular estrecha. Sin embargo, se comprende que
el sistema de realimentación fuera de ejes puede ser llevado a la
práctica de diversas formas. Por ejemplo, pueden proporcionarse un
espejo y un dispositivo de filtro integrados recubriendo parte de
un espejo o en forma parecida. El espejo o la franja especular
puede ser plano, curvo o similar. Alternativa o adicionalmente, el
filtrado espacial puede conseguirse disponiendo un filtro espacial
adicional en la trayectoria del rayo, por ejemplo una abertura, una
hendidura o similar. Un filtro espacial de esta clase puede
colocarse delante de la retícula y/o entre la retícula y el espejo
de realimentación.
En resumen, en este documento se describe un
sistema de láser que comprende: Un conjunto de láser que comprende
una pluralidad de emisores; dispositivos primero y segundo de
realimentación de luz que forman cavidades externas respectivas con
el conjunto de láser; un dispositivo de dispersión para redirigir
partes respectivas de la luz procedente del conjunto de láser hacia
los dispositivos primero y segundo de realimentación, en el que el
primer dispositivo de realimentación está destinado a reflejar una
parte de realimentación del rayo redirigido de vuelta sobre el
dispositivo de dispersión y a generar el rayo de salida a partir de
una parte de salida del primer rayo redirigido; un dispositivo de
formación de imágenes para generar una transformada óptica de
Fourier de la pluralidad de emisores en un plano de Fourier. El
dispositivo de dispersión se encuentra desplazado respecto de dicho
plano de Fourier en una magnitud predeterminada en la dirección del
mencionado eje principal.
El presente invento puede aplicarse
ventajosamente en una variedad de campos que incluyen la industria
gráfica, aplicaciones de marcado y grabado, odontología, como
fuente de bombeo para láseres de telecomunicaciones, multiplexado
de longitud de onda en sistemas ópticos de comunicaciones, como
fuente de bombeo para láseres de estado sólido, tratamiento de
materiales, por ejemplo en la soldadura de plásticos y en la
soldadura fuerte, aplicaciones médicas en las que sea necesario un
acoplamiento en forma de fibras ópticas de alma delgada, etc.
En las reivindicaciones de dispositivo en las
que se citan varios medios, algunos de estos medios pueden estar
incorporados en un mismo elemento de equipo. El mero hecho de que
se citen ciertas medidas en reivindicaciones dependientes
mutuamente diferentes o se describan en realizaciones distintas, no
indica que no pueda utilizarse ventajosamente una combinación de
estas medidas.
Debe llamarse la atención acerca de que las
expresiones "comprende/que comprende", cuando se utilizan en
esta memoria, especifican la presencia de características,
elementos, operaciones o componentes establecidos, pero no excluyen
la presencia ni la adición de una o más de otras características,
elementos, operaciones, componentes o grupos de los mismos.
Claims (21)
1. Un sistema de láser para generar un rayo de
salida, cuyo sistema de láser comprende:
- -
- un conjunto de láser (101) para emitir un rayo láser principal, comprendiendo el conjunto de láser una pluralidad de emisores para emitir respectivas contribuciones de rayo principal para el rayo láser principal emitido;
- -
- un primero y un segundo dispositivos de realimentación de luz (208, 232) que forman cavidades externas respectivas con el conjunto de láser para reflejar hacia el conjunto de láser partes de realimentación respectivas de la luz producida por el conjunto de láser;
- -
- un dispositivo de dispersión (205) posicionado para recibir luz procedente del conjunto de láser (101) y para redirigir partes respectivas de la luz recibida hacia los dispositivos de realimentación primero y segundo (208, 232) como correspondientes rayos redirigidos primero y segundo, en el que el primer dispositivo de realimentación está destinado a reflejar una parte de realimentación del primer rayo redirigido de vuelta sobre el dispositivo de dispersión y a generar el rayo de salida a partir de una parte de salida del primer rayo redirigido;
- -
- un dispositivo (213) de formación de imágenes para generar una transformada óptica de Fourier de la pluralidad de emisores en un plano de Fourier (235) y para formar un diseño de distribución de intensidad combinada que tiene múltiples lóbulos posicionados fuera de eje con relación a un eje principal (230) del conjunto de láser que se proyecta desde una cara de salida del mismo;
caracterizado porque el dispositivo de
dispersión (205) está situado en una posición desplazada respecto
de dicho plano de Fourier (235) en una magnitud de desplazamiento
predeterminada en la dirección del mencionado eje principal
(230).
2. Un sistema de láser de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el dispositivo de dispersión (205) está
desplazado con el fin de reducir el efecto de combinación
espectral de los rayos del sistema de láser.
3. Un sistema de láser de acuerdo con la
reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que el desplazamiento
es, al menos, un 5% de la distancia existente entre el dispositivo
(213) de formación de imágenes y el plano de Fourier (235),
preferiblemente de, al menos, un 10% de dicha distancia, más
preferiblemente de, al menos, un 20% de la citada distancia, del
modo más preferible de, al menos, un 30% de dicha distancia, por
ejemplo de entre un 40% y un 70% de la mencionada distancia.
4. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el dispositivo
de dispersión (205) está desplazado respecto del plano de Fourier
(235) en dirección al dispositivo (213) de formación de
imágenes.
5. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el dispositivo
de dispersión (205) tiene una superficie de entrada (209) sobre la
que incide el rayo principal, y el desplazamiento viene determinado
como la distancia entre las respectivas intersecciones del eje
principal (230) con dicha superficie de entrada (209) y el plano de
Fourier (235).
6. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el dispositivo
de dispersión (205) está destinado a dirigir los rayos redirigidos
primero y segundo en un ángulo con relación al eje principal mayor
de 50º, preferiblemente mayor de 70º, más preferiblemente, mayor de
80º.
7. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el dispositivo
de dispersión (205) está desplazado con el fin de incrementar un
valor medido de un factor M^{2} de propagación del rayo de salida
del sistema de láser en comparación con un valor mínimo de M^{2}
correspondiente medido cuando el dispositivo de dispersión está
situado sustancialmente en el plano de Fourier (235) en, por lo
menos, un factor de 2, preferiblemente al menos un factor de 3, más
preferiblemente al menos un factor de 4; en el que dichos valores
de M^{2} se miden estando inactivado el segundo dispositivo de
realimentación.
8. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el primer
dispositivo de realimentación está destinado a realimentar, de
manera predominante, una contribución angular/direccional
respectiva de cada una de dichas contribuciones al rayo principal,
a uno correspondiente de la pluralidad de emisores desde el cual se
emitió dicha contribución angular/direccional con un ángulo de
salida predeterminado, para hacer que cada uno de la pluralidad de
emisores emita, de modo predominante, una contribución al rayo
hacia el segundo dispositivo de realimentación en un ángulo
correspondiente al ángulo de salida predeterminado.
9. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que el primer
dispositivo de realimentación está destinado a reflejar al menos
parte de una contribución de primer orden del primer rayo
redirigido, de vuelta sobre el dispositivo de dispersión.
10. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que el dispositivo
de dispersión (205) está destinado a emitir más potencia óptica en
la contribución de primer orden del primer rayo redirigido que en
una contribución de orden cero del primer rayo redirigido.
11. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el primer
dispositivo de realimentación (232) está destinado a reflejar parte
del primer rayo redirigido que es emitido desde el dispositivo de
dispersión (205) en un ángulo predeterminado.
12. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que el primer
dispositivo de realimentación incluye un primer elemento
reflectante (232) que tiene una reflectividad comprendida,
aproximadamente, entre un 1 y un 25%, por ejemplo entre un 1 y un
5% o entre un 5 y un 15% y en el que el primer elemento reflectante
está destinado a hacer, sustancialmente, que la fracción restante,
correspondiente de la luz que llega al primer elemento reflectante,
sea transmitida como rayo de salida (233).
13. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el primer
dispositivo de realimentación (232) está posicionado en la
trayectoria de un primer lóbulo de la distribución de intensidad
combinada, redirigida, y en el que los segundos medios de
realimentación (208) están posicionados en la trayectoria de un
segundo lóbulo de la distribución de intensidad combinada,
redirigida, en el lado opuesto del eje principal respecto de dicho
primer lóbulo.
14. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que el segundo
dispositivo de realimentación (208) está destinado a realimentar
selectivamente uno o más modos espaciales del rayo láser principal
emitido.
15. Un sistema de láser de acuerdo con la
reivindicación 14, en el que el o los modos espaciales son uno o
más modos espaciales que están presentes en el láser de
funcionamiento libre.
16. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que el segundo
dispositivo de realimentación (208) comprende un segundo elemento
reflectante y un filtro espacial.
17. Un sistema de láser de acuerdo con la
reivindicación 16, en el que el filtro espacial está destinado a
impedir que, al menos una parte central de la distribución de luz
espacial en posición proximal respecto al eje principal, sea
realimentada al conjunto de láser.
18. Un sistema de láser de acuerdo con la
reivindicación 16 o la reivindicación 17, en el que el segundo
elemento reflectante (208) incluye un área reflectora, en el que
los filtros espaciales están formados, al menos en parte, por una
parte de borde de dicha área reflectante situada en posición
proximal respecto al eje principal; y en el que el segundo elemento
reflectante está posicionado en la trayectoria del rayo en un lado
del eje principal tal que la parte de borde proximal al eje
principal se encuentre a una distancia angular predeterminada del
eje principal.
19. Un sistema de láser de acuerdo con la
reivindicación 18, en el que el filtro espacial está destinado,
además, a bloquear una contribución periférica al rayo
correspondiente a una contribución angular al rayo por encima de un
ángulo de corte superior predeterminado.
20. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 19, en el que el segundo
dispositivo de realimentación (208) tiene una reflectividad mayor
del 95%, preferiblemente mayor del 98%, del modo más preferible
mayor del 99%.
21. Un sistema de láser de acuerdo con una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20, en el que el primer
dispositivo de realimentación comprende un filtro espacial
adicional (236) destinado a bloquear los modos espaciales del
primer rayo redirigido, cuyos modos espaciales corresponden a
contribuciones angulares con un ángulo con relación al eje
principal, menor que un ángulo de corte inferior.
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