ES2355703T3 - Procedimiento y dispositivo óptico para la producción de una señal óptica no lineal en un material excitado por un campo de excitación, y utilización de dicho procedimiento y del dispositivo óptico. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para generar una señal óptica no lineal (17) en un material (16) excitado por un campo de excitación (2), en el que unos campos coherentes con el campo de excitación (2) de primeros y segundos impulsos ópticos de diferente frecuencia se solapan en el tiempo y localmente en el material (16), generándose los primeros impulsos de una primera frecuencia en un primer haz (3) de un primer generador óptico (1) y generándose los segundos impulsos de una segunda frecuencia en un segundo haz (8) de un segundo generador óptico (7) bombeado de forma sincrónica por el primer generador óptico (1), generándose con los primeros impulsos de la primera frecuencia como frecuencia fundamental impulsos de una frecuencia armónica de ésta más alta (SHG), y siendo bombeado el segundo generador óptico con los impulsos (5) de la frecuencia armónica más alta, caracterizado porque el segundo generador óptico (7), como generador paramétrico óptico, genera impulsos de una frecuencia de reposo en un haz de reposo para proporcionar los segundos impulsos de la segunda frecuencia en el segundo haz (8), siendo la segunda frecuencia más baja que la primera frecuencia, y el segundo generador óptico (7) genera impulsos de una frecuencia de señal en un haz de señal (9), siendo la segunda frecuencia más baja que la frecuencia de señal, y solapándose la señal óptica no lineal (17) en interferencia heterodina con el haz de señal (9) para la detección.
Description
Procedimiento y dispositivo óptico para la
producción de una señal óptica no lineal en un material excitado por
un campo de excitación, y utilización de dicho procedimiento y del
dispositivo óptico.
La invención se refiere a un procedimiento para
generar una señal óptica no lineal según la reivindicación 1. La
invención se refiere también a una utilización del procedimiento y
del sistema óptico.
La utilización de un procedimiento CARS
anteriormente mencionado y/o un sistema óptico CARS se ha
establecido principalmente en el campo de la investigación de
estructuras vibrónicas internas de moléculas, pudiendo generarse
por ejemplo una señal óptica no lineal en forma de una señal CARS
(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy Signal -
señal de espectroscopia Raman anti-stokes coherente)
en un material. Por ejemplo, en el artículo de F. Ganikhanov et
al., en Optic Letters, vol. 31 (12), págs
1872-1874 (2006), se describe una estructura CARS
de alta sensibilidad que funciona con dos láseres y un OPO de
frecuencia duplicada de resonador interno. Esta estructura
posibilita una identificación de una molécula sin marcadores. Por
ejemplo, las especies marcadas por espectroscopia de fluorescencia
se revelan como posible alternativa, pero no orientada a la
aplicación, en particular en el campo de la biología o la
alimentación, debido a un efecto de marcado que frecuentemente es
demasiado bajo y en caso dado a un efecto tóxico de los marcadores.
Por consiguiente, el procedimiento mencionado en la introducción y
el dispositivo constituyen una posibilidad ampliable y viable en
este campo si se logra reducir la complejidad y al mismo tiempo
aumentar la sensibilidad de los sistemas existentes. La
sobreelevación resonante inherente al proceso CARS hace que éste sea
más sensible que los métodos de espectroscopia Raman y, en
comparación con la espectroscopia infrarroja, en el presente caso la
utilización de longitudes de onda más cortas posibilita una mayor
resolución espacial en el campo de la microscopía. Esta es una de
las razones por las que la utilización de un procedimiento
mencionado en la introducción y el dispositivo mencionado en la
introducción han adquirido una importancia nada despreciable en el
marco de la espectroscopia CARS y la microscopía. La implementación
de los mismos en un marco mayor, orientado a la aplicación o
industrial está limitada hasta la fecha a causa de la complejidad,
todavía relativamente alta, de los sistemas necesarios para ello y
del rendimiento relativamente bajo de la señal óptica no lineal que
se genera mediante una interacción en gran medida no lineal
disponible en el material. Esta problemática se plantea sobre todo
en caso de materiales que incluyen la sustancia a analizar en una
concentración relativamente baja.
En la publicación de E. O. Potma et. al.
en Opt. Lett. 31 Nº 2, páginas 241 a 243, 14 de enero de 2006
"Heterodyne coherent anti-Stokes Raman scattering
(CARS) imaging" y en la publicación de E. R. Andresen en Opt.
Expr. Vol. 14(16), páginas 7246-7251 (2006)
"Picosecond anti-Stokes generation in a
photonic-crystal fiber for interferometric CARS
microscopy", se propone fundamentalmente perfeccionar un sistema
multihaz mencionado en la introducción para un procedimiento o una
estructura para generar la señal óptica no lineal, mediante el uso
de un oscilador paramétrico óptico y un esquema de detección
heterodino. Para ello, E. O. Potma et. al. prevén utilizar
para un sistema CARS un impulso de un haz de señal de frecuencia
duplicada en el resonador del oscilador paramétrico óptico (OPO)
como campo de excitación de alta frecuencia, y un impulso láser
generado por un láser de bombeo para el OPO como campo de
excitación de baja frecuencia (como haz stokes en la terminología
CARS). Para realizar un esquema de detección heterodino, en la
estructura CARS se pone a disposición de forma definida una
estructura CARS adicional en el marco de un interferómetro de
Mach-Zehnder, siendo uno de los brazos del
interferómetro una célula de sulfóxido de dimetilo deuterizado
(d-DMSO) para generar una señal fuerte no resonante
con una, en la terminología CARS, frecuencia
anti-stokes, que sirve como un, así llamado,
"oscilador local" en el marco del esquema de detección
heterodino. Una estructura de este tipo es relativamente compleja y
costosa de manejar, aunque el esquema de detección heterodino
propuesto es adecuado en principio para aumentar la sensibilidad
del procedimiento mencionado en la introducción y del dispositivo
mencionado en la introducción.
En la publicación de E. R. Andresen et
al., de nuevo una salida de señales de un OPO bombeado de forma
sincrónica con una frecuencia láser sirve como impulso de bombeo de
alta frecuencia para el campo de excitación para generar una señal
CARS, mientras que un impulso láser en la frecuencia láser sirve
como impulso stokes de baja frecuencia para formar el campo de
excitación. Los impulsos de bombeo y stokes se conducen a una fibra
óptica cristalina fotónica (photonic-crystal fiber -
PCF) para la obtención de un campo de oscilador local en el impulso
anti-stokes en el marco de un esquema de detección
heterodino para CARS. Las propiedades de dispersión y tiempo de
propagación que ello implica, correspondientes al impulso
anti-stokes, generan problemas adicionales que
hacen que el procedimiento y la estructura descritos en dicha
publicación sean susceptibles de mejora.
En la publicación "CARS imaging with a new 532
nm synchroneously pumped picosecond OPO" de Büttner et.
al, publicada en Proc. of SPIE Conf. Multiphoton Microscopy in
the Biomedical Sciences VII (21-23 de enero de
2007), editada por A. Periasamy entre otros, SPIE, 2007 Vol. 6442,
páginas 64420C-1 a 64420C-8, se
describe fundamentalmente una estructura CARS óptica ventajosa con
un OPO que se bombea con un láser Nd:VAN de frecuencia duplicada y
con acoplamiento de modos. En este caso, un haz de señal del OPO se
utiliza junto con una parte de las fundamentales del láser de
bombeo como haz de bombeo y stokes en el marco de un campo de
excitación CARS.
Sería deseable una propuesta relativamente
propuesta y compacta para mejorar un procedimiento mencionado en la
introducción y un sistema óptico mencionado en la introducción,
debiendo existir además una posibilidad ventajosa de una detección
heterodina para la señal óptica no lineal.
\newpage
En este punto es aplicable la invención, cuyo
objetivo consiste en indicar un procedimiento y un sistema óptico
del tipo indicado en la introducción que presente una construcción
relativamente sencilla y/o compacta y no obstante sea relativamente
potente para generar la señal óptica no lineal, en particular
relativamente sensible para la detección de la señal óptica no
lineal.
En lo que respecta al procedimiento, la
invención resuelve el objetivo mediante un procedimiento del tipo
mencionado en la introducción, en el que está previsto según la
invención que el segundo de generador óptico, como generador
paramétrico óptico, genere impulsos de una frecuencia de reposo en
un haz de reposo para proporcionar los segundos impulsos de la
segunda frecuencia en el segundo haz, siendo la segunda frecuencia
más baja que la primera frecuencia y generando el segundo generador
óptico impulsos de una frecuencia de señal en un haz de señal,
siendo la segunda frecuencia más baja que la frecuencia de
señal.
La invención parte de la consideración de que,
en una delimitación del estado actual de la técnica, es posible
lograr una excitación especialmente potente de un material en el
marco de un campo de excitación formado mediante un primer impulso,
por ejemplo un impulso de bombeo de frecuencia más alta generado por
un láser de bombeo, y un segundo impulso, por ejemplo un impulso de
reposo de frecuencia más baja generado por un oscilador paramétrico
óptico. Dicho de otro modo, la frecuencia fundamental,
preferentemente del láser, sirve como frecuencia de bombeo (primer
impulso) en el marco de una terminología CARS, mientras que la
frecuencia de reposo, preferentemente del OPO, sirve como
frecuencia stokes (segundo impulso). La invención ha descubierto
que este tipo de generación de un campo de excitación con el segundo
impulso es posible si, de acuerdo con el concepto de la invención,
el generador paramétrico óptico se bombea a la frecuencia armónica
superior formada por multiplicación de la frecuencia
fundamental.
Además, la invención ha descubierto que la
combinación de la primera frecuencia fundamental y la segunda
frecuencia de reposo en el campo de excitación produce una señal no
lineal, por ejemplo una señal CARS, en la frecuencia
\Omega_{CARS} =
2\Omega_{bombeo} -
\Omega_{reposo}
que corresponde a la frecuencia de
señal \Omega_{señal} del impulso de señal generado por ejemplo
por el oscilador paramétrico en un haz de señal. Por consiguiente,
este procedimiento para generar la señal óptica no lineal ofrece
por primera vez una posibilidad especialmente buena y potente para
utilizar el impulso de señal generado por el generador paramétrico
óptico en el marco de un esquema de detección heterodino para la
señal óptica no lineal. El procedimiento y un sistema óptico
adecuado para ello resultan relativamente compactos y fáciles de
manejar en comparación con los conceptos existentes hasta la
fecha.
\vskip1.000000\baselineskip
Por consiguiente, el concepto de la invención
conduce a un sistema óptico del tipo mencionado en la introducción
que es particularmente adecuado para la realización del
procedimiento según el concepto de la invención. De acuerdo con la
invención, el sistema óptico también presenta:
un primer generador óptico para generar los
primeros impulsos de una primera frecuencia en un primer haz;
un medio para generar impulsos de una frecuencia
armónica más alta con los impulsos de la primera frecuencia como
frecuencia fundamental;
un segundo generador óptico, que puede ser
bombeado por el primer generador óptico de forma sincrónica con los
impulsos de la frecuencia armónica más alta, en forma de un
generador paramétrico óptico para generar impulsos de una
frecuencia de reposo en un haz de reposo como segundos impulsos en
el segundo haz en una segunda frecuencia, y para generar impulsos
de una frecuencia de señal en un haz de señal, siendo la segunda
frecuencia más baja que la primera frecuencia y más baja que la
frecuencia de señal;
medios de guía de haz para solapar en el tiempo
y localmente un primer impulso del primer haz y un segundo impulso
del haz de reposo.
\vskip1.000000\baselineskip
Por "generador paramétrico óptico" se ha de
entender en principio cualquier generador óptico diseñado para
generar una frecuencia de reposo y una frecuencia de señal a través
de un proceso paramétrico de división de la frecuencia de bombeo,
siendo la suma de la frecuencia de reposo y la frecuencia de señal
igual a la frecuencia de bombeo.
En principio, en lugar de un OPO también se
puede utilizar un generador paramétrico óptico (OPG) (es decir, un
OPO sin resonador) o un amplificador paramétrico óptico con o sin
resonador (OPA). Los generadores están realizados preferentemente
como versión en picosegundos (ps), en caso dado también como versión
en femtosegundos (fs). Un OPO u OPG u OPA utiliza preferentemente
un cristal KTP como cristal no lineal. La utilización de impulsos
ps permite análisis espectrales selectivos de transiciones
especiales (single-line), mientras que los impulsos
fs posibilitan aplicaciones amplias en cuanto a las frecuencias, por
ejemplo con modulación de frecuencia o similares
(multi-line).
(multi-line).
El concepto de la invención aprovecha
ventajosamente el hecho de que la suma de la frecuencia de reposo y
la frecuencia de señal corresponda a la frecuencia armónica más
alta, en particular a la segunda frecuencia armónica. Esto
posibilita la opción de una detección especialmente exenta de ruidos
de la señal óptica no lineal en el marco de un esquema de detección
heterodina.
El concepto de la invención también conduce a
una utilización especialmente preferente del procedimiento y/o el
sistema óptico para el análisis químico selectivo de sustancias
químicas y/o sustancias biológicas, en particular en el campo de la
alimentación. Dicha utilización no requiere ningún marcador invasivo
o similar y además ofrece la posibilidad de una mayor sensibilidad
en comparación con el estado actual de la técnica. Además, la
invención conduce a la utilización del procedimiento o el sistema
óptico de acuerdo con el concepto de la invención para el análisis
de estados vibrónicos en una molécula. Se ha comprobado que en el
marco de dicha utilización se puede realizar un análisis de
sustancias incluso con una concentración submilimolar de una
molécula.
De acuerdo con la invención, el procedimiento
y/o el sistema óptico según el concepto de la invención se utilizan
para la microscopía y/o la espectroscopia, en particular la
microscopía CARS y/o la espectroscopia CARS. De acuerdo con la
invención está prevista una utilización en la metrología de
frecuencias, en particular con generadores ópticos con fases
estabilizadas.
La invención ha descubierto por primera vez que
la combinación de la frecuencia fundamental del primer generador
óptico (p. ej. láser) y la frecuencia de reposo del segundo
generador óptico (p. ej. OPO) es especialmente atractiva para la
generación de la señal no lineal, ya que de este modo la distancia
entre la frecuencia anti-stokes y la frecuencia de
bombeo es relativamente grande. Dicho de otro modo, la región
anti-stokes está completamente libre de eventuales
solapamientos de frecuencia de los impulsos excitadores. Esto no
ocurre en el caso de los esquemas de excitación que utilizan la
frecuencia de señal del segundo generador óptico como frecuencia de
bombeo y la frecuencia fundamental del primer generador óptico como
frecuencia anti-stokes, en los que es de esperar un
solapamiento con la región de señal en el curso de la exploración de
un espectro CARS, lo que hace necesario el uso de filtros
delimitadores que eventualmente pueden ser causa de problemas. Esta
medida se evita de acuerdo con el concepto de la invención. Al
contrario: se pueden registrar espectros CARS más amplios (por
ejemplo claramente más de 80 números de onda, p. ej. en caso de
varias resonancias Raman o hiperespectros también en la anchura de
banda de temperaturas).
Además de las ventajas arriba mencionadas,
también se ha comprobado que mediante el concepto de la invención
se evitan ventajosamente problemas de dispersión y problemas de
inestabilidad de fase temporal y también problemas de guía de
impulso, que sí se producen en el caso de los sistemas relativamente
complejos del estado actual de la técnica. Las anchuras de impulso
alcanzables (temporalmente y en el espacio de frecuencias) se pueden
optimizar mejor y con fiabilidad. La generación de "colores"
en cascada procedentes de una única fuente original (el primer
generador óptico) en el marco de la invención hace que el concepto
de ésta sea particularmente sencillo, compacto y fácil de utilizar
en comparación con todos los sistemas conocidos. El concepto de la
invención ofrece la posibilidad de una detección heterodina
especialmente eficaz y exenta de ruidos, que permite detectar
señales ópticas no lineales débiles de un modo que se explicará más
adelante.
En las reivindicaciones subordinadas se
describen perfeccionamientos ventajosos que indican en particular
posibilidades ventajosas para la realización del concepto arriba
descrito en el marco del planteamiento de objetivos y también en
relación con otras ventajas.
Se ha descubierto que entre un impulso del haz
de señal y la señal óptica no lineal está definida una posición de
fase óptica. Si bien las posiciones de fase entre un impulso del
primer haz y un impulso del segundo haz no tienen ninguna relación
directa entre sí, es decir, las posiciones de fase de los impulsos
para la obtención del campo de excitación no tienen ninguna
relación de fase directa entre sí, la fase saliente de la señal
óptica no lineal está en sincronización de fase con respecto a la
fase del impulso de la frecuencia de señal en el haz de señal
generado por el oscilador paramétrico óptico. Es decir, las fases de
impulsos asociados entre sí de un haz de señal y de un haz de
reposo son libres en sí. Sin embargo, su suma está en sincronización
de fase con respecto a la fase del láser de bombeo. Esta
circunstancia de una conservación de fases permite en el marco de
la invención la detección heterodina de la señal óptica no lineal en
la medida en que ésta se solapa interfiriendo con el haz de señal.
En conjunto, esta circunstancia se puede aprovechar para reforzar
por interferometría una señal no lineal.
Preferentemente, la frecuencia de señal y la
frecuencia de la señal óptica no lineal coinciden en orden de
magnitud. De acuerdo con un perfeccionamiento, para la detección
heterodina de la señal no lineal se modifica una frecuencia y/o
fase de la señal óptica no lineal con respecto a la frecuencia de
señal y/o fase, y la señal óptica no lineal se detecta como señal
de interferencia en función del tiempo.
Preferentemente, una frecuencia y/o fase de la
señal óptica no lineal se modifica con respecto a la frecuencia de
señal modificando la primera frecuencia y/o fase. Esto tiene la
ventaja de que se modifica la primera frecuencia y/o fase (a saber:
la frecuencia y/o fase fundamental del primer oscilador óptico, p.
ej. un láser) que ya no varía necesariamente en el marco del
procedimiento, p. ej. para adaptar una frecuencia del campo de
excitación a un material determinado. Es decir, en este contexto se
dispone de unas condiciones relativamente estables para la
modificación definida de frecuencia y/o fase con respecto a la
detección heterodina. Preferentemente, el primer haz se modula de
forma acústica-óptica, lo que conduce convenientemente a una
modificación oportuna de frecuencia y/o fase. Para ello es adecuado
en principio cualquier tipo de modulador óptico de frecuencia y/o
fase.
En particular, la señal óptica no lineal se
genera en forma de una señal CARS, es decir, con una frecuencia que
corresponde al doble de la primera frecuencia menos la frecuencia de
reposo. Por consiguiente, de acuerdo con el presente
perfeccionamiento se puede utilizar por primera vez cada una de las
frecuencias generadas por los generadores para las frecuencias CARS
(bombeo, stokes, anti-stokes) en el marco de un
sistema multihaz bajo implementación de un oscilador paramétrico
óptico para la detección heterodina de una señal CARS,
aprovechándose por primera vez la relación de fase de la señal del
oscilador paramétrico óptico con respecto a la señal óptica no
lineal. Esto es posible de acuerdo con el concepto de la invención
mediante el bombeo del segundo generador óptico paramétrico a un
primer generador óptico armónico superior, tal como se explica más
arriba.
En el marco de un perfeccionamiento
especialmente ventajoso, el primer y el segundo haz se solapan de
forma colineal para producir el campo de excitación.
Preferentemente, en el marco de una primera variante, el haz de
señal no se dirige contra el material. En particular, el haz de
señal para la detección heterodina se solapa de forma colineal con
la señal óptica no lineal, p. ej. en un detector adecuado. Un
sistema con alta linealidad es relativamente fácil de lograr, pero
en principio es adecuado cualquier tipo de solapamiento suficiente
para la detección.
En el marco de una segunda variante, el haz de
señal también se puede solapar de forma colineal con el primer y el
segundo haz en el material. Para ello, en el marco de una primera
variante, la intensidad del haz de señal puede ser tan baja que el
haz de señal no influya en la potencia de la señal óptica no lineal.
En el marco de una segunda variante, la intensidad del haz de señal
puede ser tan alta que la potencia de la señal óptica no lineal
aumente con la intensidad del haz de señal. Por consiguiente, de
acuerdo con el perfeccionamiento, el haz de señal se puede
aprovechar como parte del campo de excitación para estimular la
generación de la señal óptica no lineal. Tanto en esta variante
como en la variante anteriormente mencionada se pueden separar una
porción de señal resonante y una porción de señal no resonante de la
señal no lineal en el marco de la detección heterodina mediante el
análisis correspondiente de la señal. La señal óptica no lineal
estimulada puede alcanzar niveles mucho más altos que la amplitud
de una simple señal diferencial, esto último en caso de un haz de
señal delante del material con poca intensidad o de un haz de señal
detrás del material. De acuerdo con los conocimientos
correspondientes a este perfeccionamiento, la aplicación de gran
intensidad también del haz de señal en el material modifica de
forma estimulante la interacción no lineal en el material de tal
modo que se impulsa una de las transiciones de interacción de una
excitación determinada. Preferentemente, el haz de bombeo, el haz
de reposo y el haz de señal se aplican prácticamente con la misma
intensidad sobre el material. Este tipo de aplicación CARS
"estimulada", en la que el campo CARS se "siembra" de
forma estimulante, ofrece una posibilidad de espectroscopia y/o
microscopía sorprendentemente eficaz y completamente nueva.
También se ha comprobado que resulta ventajoso,
en función de las necesidades, elegir determinados sistemas de
polarización para un campo de excitación con el fin de poder
analizar determinadas propiedades del material. Mientras que por lo
demás los campos del primer y el segundo haz pueden estar
copolarizados, un sistema no copolarizado, p. ej. con polarización
cruzada, ofrece la ventaja de permitir la supresión de una parte no
resonante de una señal no lineal, de modo que sólo interfieren las
porciones resonantes, que son detectadas. Además, la polarización
de los campos del primer y el segundo haz se puede elegir de tal
modo que el campo de excitación esté polarizado de forma circular o
elíptica. Esto ha dado buenos resultados en particular para el
análisis de una birrefrigencia o una quilaridad de moléculas,
pudiendo comprobarse un estado molecular correspondiente mediante
una polarización adaptada del campo de excitación.
En las reivindicaciones subordinadas se
describen perfeccionamientos ventajosos del sistema óptico que
indican en particular posibilidades ventajosas para la realización
del concepto arriba descrito en el marco del planteamiento de
objetivos y también en relación con otras ventajas. Se ha comprobado
que resulta especialmente ventajoso el perfeccionamiento del
dispositivo para detectar la señal óptica no lineal mediante
solapamiento de interferencia heterodino con otro haz.
Preferentemente están previstos un medio para modificar la
frecuencia de la señal óptica no lineal con respecto a la
frecuencia de señal del haz de señal y un detector y otros medios de
guía de haz para el solapamiento de interferencia heterodino de la
señal óptica no lineal con el haz de señal en el detector.
El primer oscilador óptico está configurado
preferentemente en forma de un láser, p. ej. un láser Nd:YAG o un
láser de titanio-zafiro.
En el marco de un perfeccionamiento
especialmente preferente, en el dispositivo están previstos medios
para generar una frecuencia armónica más alta en forma de un
doblador de frecuencia. Esto puede estar realizado en particular
mediante la disposición de uno o más cristales no lineales en una
carcasa adecuada provista de mecanismos de ajuste y/o un resonador
adicional.
En el marco de una variante, adicional o
alternativamente el medio para generar una frecuencia armónica más
alta puede estar dispuesto entre el primer y el segundo oscilador
óptico, o en el marco de otra variante, adicional o
alternativamente el medio para generar una frecuencia armónica más
alta puede estar configurado en el resonador del primer oscilador
óptico. Por ejemplo, se puede poner a disposición un láser que, en
el marco de una duplicación de frecuencia realizada en el resonador
láser, genera la primera frecuencia como frecuencia fundamental y
también una frecuencia más alta, armónica de la fundamental, en
particular la armónica doble de la frecuencia fundamental.
En principio se puede emplear un medio para
modificar la frecuencia y/o la fase de la señal óptica no lineal en
relación con la frecuencia y/o la fase del haz de señal adicional o
alternativamente al medio para modificar la fase/frecuencia
fundamental en el primer haz y también para modificar la
fase/frecuencia de reposo en el haz de reposo y/o para modificar la
fase/frecuencia de señal en el haz de señal. Dicho medio puede
consistir por ejemplo en un modulador acústico-óptico, aunque en
principio es posible cualquier tipo adecuado de modulador de
frecuencia y/o fase.
Un detector está configurado preferentemente en
forma de un fotomultiplicador, un fotodiodo o un diodo de
avalancha. Sorprendentemente se ha comprobado que las
características de ruido son especialmente ventajosas en caso de un
fotodiodo, en particular para el campo de una detección heterodina.
Aunque en caso de niveles de señal bajos en principio es
recomendable utilizar un fotomultiplicador, se ha logrado la
posibilidad de elevar el nivel de la señal no lineal, incluso en
caso de niveles de señal bajos, en particular de acuerdo con el
perfeccionamiento arriba descrito de una generación estimulada de la
señal no lineal, y de este modo posibilitar la utilización de un
fotodiodo, que provoca menos ruidos, en particular con una
resistencia superior a 1 M\Omega, preferiblemente igual o mayor
que 10 M\Omega. De este modo, por primera vez es posible una
detección heterodina con ruido de granalla limitado de una señal no
lineal, en particular una señal CARS.
A continuación se describen ejemplos de
realización de la invención por medio de los dibujos en comparación
con el estado actual de la técnica, que también está representado en
parte. Los dibujos no representan los ejemplos de realización
necesariamente a escala. Más bien, cuando resulta útil para la
explicación, los dibujos pueden estar realizados de forma
esquemática y/o ligeramente deformados. Para obtener más información
sobre las enseñanzas que se pueden reconocer directamente en los
dibujos, véase el estado actual de la técnica correspondiente. Se
ha de tener en cuenta que se pueden llevar a cabo múltiples
modificaciones y variaciones en relación con la forma y los
detalles de una forma de realización sin salirse de la idea general
de la invención. Las características de la invención dadas a
conocer en la descripción, en los dibujos y en las reivindicaciones
pueden ser esenciales para el perfeccionamiento de la invención
tanto de forma individual como en cualquier combinación entre sí.
La idea general de la invención no se limita a la forma exacta o a
los detalles de la forma de realización preferente mostrada y
descrita más abajo, ni se limita a un objeto que esté restringido
en comparación con el objeto reivindicado en las reivindicaciones.
En el caso de los intervalos de dimensionamiento indicados, los
valores que se encuentran entre los límites mencionados también se
han de considerar como valores límite dados a conocer que se pueden
utilizar y reivindicar a voluntad.
En particular, en los dibujos:
la Figura 1 muestra en la Vista A una
representación esquemática de una estructura óptica para la
generación y la detección heterodina de una señal CARS con un
oscilador paramétrico óptico bombeado de forma sincrónica a la
segunda armónica de una frecuencia láser fundamental, utilizándose
la frecuencia láser fundamental y la frecuencia de reposo para
generar una señal de excitación para un material, y empleándose la
frecuencia de señal para la detección heterodina de la señal CARS;
y en la Vista B un diagrama energético correspondiente de las
frecuencias en cuestión y la formación de la señal CARS en el
diagrama energético para un proceso no lineal de tercer orden;
la Figura 2 muestra el ruido correspondiente a
diferentes detectores en función de una potencia de oscilador
local, es decir, del haz de señal o el impulso de señal, teniendo
las líneas discontinuas A y B en cada caso una pendiente de 1/2 o 1
y representando las líneas continuas una simulación, y representando
los símbolos datos medidos; el dibujo insertado muestra una
electrónica de detector correspondiente;
la Figura 3 muestra el ruido correspondiente a
una señal óptica no lineal con una potencia de 2 microvatios y el
rendimiento total de señal representado en función de una potencia
de bombeo para el oscilador paramétrico óptico (cerca de 532 nm
dentro del cristal);
la Figura 4 muestra un gráfico que confronta una
señal óptica no lineal detectada de forma heterodina y una señal
detectada directamente representadas en función de una potencia
CARS; la Vista (A) representa un factor de mejora (en este caso
3500) de una sensibilidad de detección entre una detección
heterodina y una detección directa (p. ej. con un chopper y una
técnica lock-in) de una señal no lineal en un
fotodiodo; la Vista (B) representa el factor de mejora (en este
caso 7,5) para una detección con un
foto-multiplicador.
A continuación se describe, con referencia a los
dibujos, la utilización de un sistema óptico 10 y del procedimiento
de acuerdo con el concepto de la invención para la espectroscopia
CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy
Signal - señal de espectroscopia Raman anti-stokes
coherente) como una forma de realización especialmente preferente.
Se demuestra que también es posible detectar, en el marco de una
estructura óptica especialmente compacta, señales CARS débiles de
moléculas no accesibles hasta la fecha por debajo de una
concentración milimolar en la región del límite de ruido de
granalla (shot noise limited), utilizándose la coherencia de fases
del proceso CARS para la detección heterodina. La estructura del
sistema óptico 10 y el procedimiento son superiores en cuanto a su
compactibilidad o sus características de ruido en comparación con
los conceptos del estado actual de la técnica conocidos hasta la
fecha.
Aunque en este caso las longitudes de onda de
entrada que generan la señal CARS (es decir, una frecuencia láser
fundamental y una frecuencia de reposo) no tienen ninguna relación
de fase directa entre sí, la longitud de onda de salida de la señal
CARS está en sincronización de fase con respecto a una longitud de
onda de la señal del OPO que se genera simultáneamente con la señal
de reposo en el oscilador paramétrico óptico de la estructura
mostrada en la Figura 1, para generar un, así llamado, campo de
oscilador local para la detección heterodina de la señal CARS. Un
análisis de las características de ruido del esquema de detección
abre un hueco que permite detectar la señal CARS en el límite de
ruido de granalla. Las mediciones adicionales realizadas atenuando
la señal CARS muestran que la detección del nivel de la señal CARS
está claramente por debajo del nivel de ruido del detector (nivel
oscuro) y de los límites de detección actuales. La estructura del
sistema óptico 10 está inherentemente libre de inestabilidades de
fase temporales de los impulsos correlacionados y utiliza cada
longitud de onda generada en el marco de la estructura para la
generación y detección de la señal CARS.
A este respecto, la Figura 1 muestra la cadena
no lineal con conservación de fases de la estructura del sistema
óptico 10 como una realización especialmente preferente de un
dispositivo para generar y detectar la señal óptica no lineal 17 en
forma de la señal CARS. Ésta presenta un primer generador óptico 1
en forma de un oscilador para generar impulsos de una primera
frecuencia en un primer haz 3. Para ello, el primer oscilador
óptico está configurado en forma de un láser Nd:YAG sincronizado por
modos de forma pasiva para generar impulsos con una anchura de
impulso de aproximadamente 15 ps y una tasa de repetición de cerca
de 80 MHz. La longitud de onda central de los impulsos es de
aproximadamente 1.064 nm y esta longitud de onda, que determina una
frecuencia fundamental, se utiliza en parte en un doblador de
frecuencia 18 previsto en este caso externamente en el haz 3 para
generar impulsos 5 con una anchura de 12 ps a 532 nm. La parte del
haz 3 con frecuencia duplicada se conduce como haz de bombeo 5 con
coherencia de fases, para el bombeo de un segundo generador óptico 7
en forma de un oscilador paramétrico óptico, a la entrada del
oscilador paramétrico óptico a través de espejos correspondientes
en una derivación de bombeo 6 de la guía de haz adecuadamente
dimensionada. La coherencia de fases se obtiene mediante la adición
de las fases de los dos fotones que constituyen la segunda
frecuencia armónica (532 nm). En una realización representada
esquemáticamente en la Figura 1, el oscilador paramétrico óptico
bombeado de forma sincrónica a 532 nm genera pares de impulsos con
una anchura de impulso de aproximadamente 6,5 ps por un lado con
una longitud de onda de señal de un haz de señal 9 y por otro lado
con una longitud de onda de reposo de un haz de reposo 8. Las fases
de los impulsos correlacionados son libres en sí, pero su suma está
sincronizada con la fase del haz de bombeo 3. Gracias a esta
libertad de la fase del haz de señal 9, la señal apoyada en el
resonador no tiene ninguna limitación de fases y, en consecuencia,
posibilita un funcionamiento redondo del oscilador paramétrico
óptico (OPO). La longitud de onda del haz de reposo 8 se combina en
la derivación 11 de la guía de haz que conduce el primer haz 3 con
los 1.064 nm del primer haz 3 para generar un campo de excitación 2
y una señal CARS con una frecuencia de
\Omega_{CARS} =
2\Omega_{bombeo} -
\Omega_{stokes}
actuando los 1.064 nm como
frecuencia de bombeo y la frecuencia del haz de reposo 8 como
longitud de onda
stokes.
\vskip1.000000\baselineskip
La longitud de onda CARS (o
anti-stokes) corresponde a la longitud de onda del
haz de señal 9 del OPO, como se puede observar en la Vista B de la
Figura 1. Además, la fase de la señal CARS resonante se determina
prácticamente igual que la fase del haz de señal 9 del OPO (2 x
fase_{1064} - fase_{reposo} + fase_{Chi(3)}), siendo
el último término una fase constante de la respuesta no lineal
Chi(3) con una longitud de onda determinada. La conservación
de fases significa que la longitud de onda de señal puede interferir
con la señal CARS de un modo predecible en el haz de interferencia
4 de la segunda derivación 12 de la guía de haz y, por consiguiente,
puede ser utilizada para una amplificación interferométrica.
La interferencia del campo de oscilador local
(LO, longitud de onda de señal de OPO 9) con la señal CARS (CARS)
conduce a la siguiente intensidad total en el detector:
I_{detector}
= LO + CARS + 2 x \surd(LO \cdot
CARS),
siendo HCARS = 2 x \surd (LO
\cdot
CARS)
LO y CARS representan intensidades. HCARS se
refiere a la potencia CARS heterodina. Este término de interferencia
escalado con la raíz de la potencia del campo de LO y la
amplificación interferométrica se puede definir como
HA-CARS/CARS = 2 x \surd(LO/CARS). El ruido
de la señal óptica se determina mediante el ruido de granalla en la
propia señal CARS y el ruido de granalla introducido a través de la
señal de oscilador local, es decir la señal de OPO 9. El ruido de
granalla introducido es el término dominador de los dos (porque LO
es mucho mayor que CARS) y se escala con la raíz de LO, de forma
semejante al término de interferencia y la amplificación
interferométrica. Por consiguiente, la amplificación
interferométrica se puede utilizar para elevar la señal por encima
del ruido del detector sin degradar la relación original
señal-ruido siempre que el campo de oscilador local
LO sea el término dominante del ruido de granalla. Para evitar un
ruido de tipo 1/f, la detección se lleva a una región espectral
menos propensa al ruido mediante el desplazamiento de la longitud de
onda CARS 40 kHz con respecto a la longitud de onda OPO.
El detector 19 puede ser un fotomultiplicador
(PMT), un fotodiodo (PD) o un fotodiodo de avalancha (APD). Los APD
se utilizan generalmente en un modo de conteo de fotones y generan
un impulso electrónico por cada fotón detectado. El
fotomultiplicador y el fotodiodo se conectan con un amplificador de
transimpedancia que con 0 ohmios está cerrado a través de un
amplificador de operaciones (OPAMP), como muestra el dibujo
insertado en la Figura 2. El foto-diodo PD se puede
considerar como una fuente de corriente con una corriente
proporcional a la intensidad detectada (típicamente 0,6 A/W). Las
fuentes de ruido dominantes en el detector son el ruido de Johnson
en la resistencia (\surd(4kTR\cdotBW), representando BW
la anchura de banda de detección en Hz) el ruido de corriente de
amplificación (corriente oscura independientemente de R) y el ruido
de granalla de la cantidad de electrones generados por la señal
detectada. La tensión detectada escala linealmente con la
resistencia de transimpedancia (R). Mediante el aumento de la
resistencia hasta un punto en el que ésta domina las otras fuentes
de ruido, la relación señal-ruido del amplificador
se escala con \surdR y en caso de una salida suficientemente
grande el ruido es dominado por el ruido de granalla de la señal
detectada. El valor máximo de R está limitado por la anchura de
banda necesaria del amplificador, que se escala con 1/R. Una
configuración típica alcanza una anchura de banda de 1 MHz para una
transimpedancia de 1 M\Omega. El fotomultiplicador PMT está
diseñado similarmente al fotodiodo PD, excepto que la corriente
oscura es menor cuando se compara con una resistencia de
amplificación similar. En caso de una amplificación de 10^{7}, un
fotomultiplicador tiene típicamente 100 fotones x BW ruidos de
velocidad de cómputo oscuro (10 kilo/s contador oscuro). Los
fotodiodos de avalancha APD tienen la velocidad de cómputo oscuro
más baja (aproximadamente 10 fotones x BW).
Si se aumenta la cantidad de potencia del
oscilador local LO, 9 en el detector, el ruido (señal sin cada señal
CARS en el detector) muestra primero el nivel de ruido de cómputo
oscuro (plano), seguido de una sección que muestra el ruido de
granalla del campo de oscilador local. Esto se manifiesta como una
pendiente 1/2 en una representación logarítmica doble con respecto
a la potencia de LO (paralela a la línea A en la Figura 2). En un
punto determinado, el ruido es dominado por la fluctuación de
amplitud del campo de oscilador local LO, 9. La fluctuación de
amplitud está correlacionada con la potencia del oscilador local LO,
9 y se escala por ello con una pendiente 1 (paralela a la línea B).
Dado que esta sección del ruido se escala más rápidamente que la
señal heterodina 4 (esta última se escala paralela a la línea A), la
relación señal-ruido disminuye. La ventana en la
que sólo se pueden detectar señales CARS de forma limitada por el
ruido de granalla aumenta donde el ruido sigue la línea A. La
ventana se cierra de forma limitativa por el ruido provocado por las
fluctuaciones de amplitud.
La dinámica de amplificación en el OPO determina
las fluctuaciones de amplitud, en particular el nivel de
saturación. Si el OPO no presenta una saturación suficientemente
fuerte, las fluctuaciones de amplitud se pueden producir en un
nivel (del oscilador local) en el que el ruido todavía no está
dominado por el ruido de granalla y cerrar efectivamente la ventana
para la detección delimitada por el ruido de granalla.
El nivel del ruido de granalla detectado en
comparación con el ruido de granalla óptico real se escala de forma
inversamente proporcional a la raíz de la eficiencia cuántica (QE),
que empuja la parte de la línea en sentido ascendente. La posición
de las fluctuaciones de amplitud no resulta afectada y se escala
directamente con la cantidad de fotones. Esto parece mejorar la
ventana de detección en la medida en que se pueden alcanzar niveles
mayores de un campo de oscilador local LO, 9, pero en realidad
degrada la sensibilidad de detección, como muestra la Figura 4. Los
fotomultiplicadores tienden tener una menor eficiencia cuántica (QE
del 10% al 0,1%) para longitudes de onda cercanas al infrarrojo
próximo (NIR). Los fotodiodos y los fotodiodos de avalancha
presentan una eficiencia cuántica mucho mejor (QE típicamente hasta
el 85%). Por ello, los fotodiodos de avalancha son la mejor opción
para la detección de señales muy bajas. Los fotodiodos pueden
resultar favorables para aplicaciones prácticas, ya que son
grandes, económicos y robustos. Los fotodiodos de avalancha son
relativamente caros y frágiles y tienen un área dinámica
relativamente reducida. Siempre que exista una ventana en la que
sea posible una detección limitada por ruidos de granalla, la
elección del detector es relativamente poco crítica. Sin embargo,
no ocurre lo mismo cuando la ventana se vuelve relativamente pequeña
a causa de un proceso como el arriba descrito.
En el presente caso, la longitud de onda del haz
de reposo OPO 8 está ajustada a 1.578 nm, de modo que la diferencia
entre los 1.064 nm el primer haz 3 y los 1.578 nm del haz de reposo
9 coincide con una excitación de vibración de extensión
C-H a 3.060 cm^{-1} en toluenos. La señal de OPO 9
(al igual que la señal CARS) presenta una longitud de onda de 802,7
nm. La muestra de tolueno (material 16) se prepara entre
cubreobjetos y tiene un espesor de aproximadamente 15 \mum. Se
enfocan unos 10 milivatios a 1.064 nm y 1.578 nm se enfocan
utilizando un objetivo de aire 13.1 de 0,60 NA. La señal CARS se
concentra con un objetivo 13.2 de 0,65 NA. Los filtros 13.3
eliminan las porciones de 1.578 nm y 1.064 nm de los campos de
excitación 3, 8.
Para desplazar la frecuencia CARS se utiliza un
modulador acústico-óptico 14 AOM, que se sitúa en el primer haz 3
de 1.064 nm antes que en el haz de señal 9, ya que su longitud de
onda no varía en el curso de otra sintonización del OPO a una
frecuencia vibrónica determinada. El AOM se activa a 80 MHz y
produce un desplazamiento efectivo de 20 kHz de los impulsos de
1.064 nm con una tasa de repetición de 80,02 MHz. Este
desplazamiento se transforma en un desplazamiento de 40 kHz en la
longitud de onda CARS debido a la participación de dos fotones de
los 1.064 nm en el primer haz 3 en el proceso de excitación. La
longitud de onda CARS (CARS) se combina en un detector 19 (PD, APD,
PMT) con la señal de OPO (LO), 9 con la longitud de onda arriba
mencionada para obtener la señal de interferencia 4, y la
intensidad detectada se transmite a un amplificador
lock-in 15, que está ajustado para la detección a
40 kHz. Se utiliza un tiempo de integración de 100 ms empleando un
filtro de corte de segundo orden (BW = 1,58 Hz).
La Figura 2 muestra el nivel de ruido detectado
para un fotodiodo con tres transimpedancias diferentes y un
fotomultiplicador en función de una potencia del campo de oscilador
local LO. Los niveles de ruido se recalculan a una potencia de
entrada con equivalencia de ruido (a 803 nm, anchura de banda 1,58
Hz) como comparación. La línea de ruido de granalla correspondiente
al fotomultiplicador está claramente por encima de la
correspondiente a los fotodiodos debido a la baja eficiencia
cuántica (QE = 0,3%). El fotomultiplicador muestra una ventana más
grande para una detección delimitada por ruido de granalla. Los
fotodiodos sólo presentan una ventana cuando están ajustados a 1
M\Omega o 10 M\Omega. En caso de un ajuste más bajo, el campo de
oscilador local necesario LO introduce un nivel de ruido por ruido
dominado por la fluctuación de amplitud. Por encima de 10
M\Omega, el OPAMP ya no puede seguir las oscilaciones de 40 kHz en
el marco de la amplificación.
La Figura 3 demuestra cómo el nivel de
fluctuaciones de amplitud depende de la saturación del OPO,
mostrándose tanto la potencia de la señal 9 en la salida del OPO
como el ruido detectado con la frecuencia heterodina en caso de un
nivel fijo del campo de oscilador local LO en el detector (2
\mumW). El bombeo del OPO a 5 W y 532 nm en lugar de 2 W y 532 nm
aumenta la saturación. La disminución de las fluctuaciones de
amplitud posibilita una detección limitada por ruido de granalla
con una transimpedancia más baja (y una frecuencia
correspondientemente más alta) hasta que el ruido de tensión de
entrada domina el ruido de Johnson (por debajo de 50
k\Omega).
En una variante se ha comprobado que resulta
particularmente ventajosa la utilización de un
LBO-OPO que tenga un nivel de saturación más alto.
Las fuentes de bombeo modernas para el OPO son capaces de
posibilitar con impulsos adecuadamente cortos una potencia límite
en la salida del OPO de aproximadamente 400 mW o más. En este caso
se puede lograr una saturación con el triple o el cuádruple de la
potencia límite, por ejemplo con una potencia de 1 vatio a 1,5
vatios en la salida del OPO.
La Figura 4 muestra una señal no lineal medida
17 como señal CARS heterodina con un nivel de oscilador local fijo
(50 nW para el fotodiodo y 2 nW para el fotomultiplicador),
variándose la señal CARS (CARS) mediante la introducción de filtros
atenuadores 13.3 en la parte correspondiente del haz. Para comparar,
la Figura 4 también muestra la detección directa de la señal CARS
sin campo de oscilador local (LO, 9), cortándose en lugar de ello
el haz CARS de la señal no lineal con un chopper mecánico. La señal
cortada muestra la dependencia directa prevista en el nivel de CARS
con la pendiente 1. La señal heterodina 4 sólo depende de la raíz de
la señal CARS y, en consecuencia, disminuye con una pendiente de
1/2. Cuando aumenta la atenuación del nivel de CARS, la señal
directa detectada desaparece en el ruido de detector, mientras que
la detección heterodina continúa con niveles más bajos antes de
desaparecer en el ruido de oscilador local. En caso de una detección
con un fotodiodo sintonizado a 10 M\Omega, la señal CARS mínima
detectable utilizando una detección heterodina es 3500 veces menor
que la señal que se puede detectar directamente. El
fotomultiplicador tiene un nivel de ruido muy bajo y una gran
amplificación, por lo que esta mejora por la detección heterodina no
es tan impresionante, pero no obstante corresponde aproximadamente
a un factor de 7,5. Sin embargo, la eficiencia cuántica (QE) del
fotomultiplicador es relativamente baja, de modo que la señal mínima
detectable es claramente mayor que la que se puede detectar por
detección heterodina utilizando un fotodiodo. Existen
fotomultiplicadores con una eficiencia cuántica de hasta un 15%.
Con estos fotomultiplicadores, el valor mínimo de detección
heterodina alcanzaría el límite de los fotodiodos. A causa del
desajuste residual, una señal heterodina detectada de este modo
está aproximadamente 10 veces por debajo del límite teórico.
La amplificación heterodina exenta de ruidos se
logra con un nivel del oscilador local (LO) elegido de tal modo que
el ruido de oscilador local sólo esté un poco por encima del nivel
de ruido oscuro del detector. En la práctica, esto significa que se
requieren niveles (nW) del oscilador local LO relativamente bajos
para elevar la señal por encima del ruido del detector, en
comparación con niveles de luz que impulsan la señal CARS (mW). Por
consiguiente, en una variante, el oscilador local (LO) se puede
enviar a través de una muestra de material en configuración
colineal con los otros haces 3, 8 sin obstaculizar el proceso CARS,
lo que evita ventajosamente diferencias de tiempo de propagación en
caso de una microscopía de barrido.
La ventaja de la detección heterodina es menor
en caso de un diodo de avalancha, ya que los niveles de ruido son
menores y la eficiencia cuántica es mayor. No obstante es importante
comprobar que el límite de detección de corriente no está causado
únicamente por el ruido del detector. En caso de una cantidad muy
pequeña de moléculas resonantes en el volumen focal, el fondo no
resonante puede sobrepasar la señal resonante como una
autofluorescencia limita una detección de una muestra de
fluorescencia. El artículo de Potma et. al. mencionado en la
introducción muestra que, dado que la porción de señal resonante
está desplazada en la fase en relación con la porción de señal no
resonante, la señal interferométrica se puede utilizar para separar
las porciones resonantes de la señal CARS de las porciones no
resonantes y atenuar dicho fondo. Para evitar también una
amplificación del ruido de la señal no resonante, las direcciones de
polarización de los haces incidentes 3, 8 y del oscilador local 9
se pueden ajustar entre sí con el fin de amplificar únicamente la
parte resonante de la señal CARS en el marco de la interferencia
óptica. La pérdida total de señal se compensa mediante la
amplificación interferométrica y el ruido generado por la porción no
resonante no se suma al ruido de la porción resonante. Esta
combinación de una interferencia heterodina y un esquema de
detección CARS por polarización (HIPCARS) también resulta
ventajosa.
En resumen, se ha demostrado a modo de ejemplo
la posibilidad de una amplificación exenta de ruido de una señal no
lineal (CARS) en forma de una señal CARS, que hace que el OPO sea
ventajoso para la realización de una estructura óptica 10 en una
configuración multihaz para la detección heterodina, preferentemente
en comparación con las soluciones mencionadas en la introducción,
que emplean por ejemplo una fibra óptica no lineal o una estructura
CARS de referencia con una muestra de d-DMSO u otro
material con Chi(3) alto y en las que los niveles de ruido
son totalmente inespecíficos. Además, la estructura óptica 10 aquí
descrita a modo de ejemplo permite un funcionamiento libre de
inestabilidades de fase temporales inherentes, por lo que existe la
posibilidad de realizar un barrido de longitud de onda sin errores
de sincronización y también se separar las porciones resonantes y
no resonantes. Esto mejorará significativamente la aplicabilidad de
un dispositivo del tipo descrito en el marco de la microscopía
CARS.
La invención parte de un procedimiento y un
sistema óptico 10 para generar una señal óptica no lineal (CARS) en
un material excitado por un campo de excitación 2, en los que unos
campos coherentes con el campo de excitación 2 de impulsos ópticos
de diferente frecuencia se solapan en el tiempo y localmente en el
material, generándose primeros impulsos de una primera frecuencia
en un primer haz 3 de un primer generador óptico 1 y segundos
impulsos de una segunda frecuencia en un segundo haz 8 de un segundo
generador óptico 7 bombeado de forma sincrónica por el primer
generador óptico 1. De acuerdo con el concepto de la invención, en
el procedimiento está previsto que con los impulsos de la primera
frecuencia como frecuencia fundamental (1.064 nm) se generen
impulsos de una frecuencia armónica de ésta más alta (532 nm), que
el segundo generador óptico 7 sea bombeado con los impulsos de la
frecuencia armónica más alta y que el segundo generador óptico 7,
como generador paramétrico óptico, genere impulsos de una
frecuencia de reposo (1.578 nm) en un haz de reposo para
proporcionar los segundos impulsos de la segunda frecuencia en el
segundo haz 8, siendo la segunda frecuencia (1.578 nm) más baja que
la primera (1.064 nm) y generando el segundo generador óptico 7
impulsos de una frecuencia de señal (802,7 nm) en un haz de señal
9, siendo la segunda frecuencia (1.578 nm) más baja que la
frecuencia de señal (802,7 nm).
Claims (18)
1. Procedimiento para generar una señal óptica
no lineal (17) en un material (16) excitado por un campo de
excitación (2), en el que unos campos coherentes con el campo de
excitación (2) de primeros y segundos impulsos ópticos de diferente
frecuencia se solapan en el tiempo y localmente en el material (16),
generándose los primeros impulsos de una primera frecuencia en un
primer haz (3) de un primer generador óptico (1) y
generándose los segundos impulsos de una segunda
frecuencia en un segundo haz (8) de un segundo generador óptico (7)
bombeado de forma sincrónica por el primer generador óptico (1),
generándose con los primeros impulsos de la primera frecuencia como
frecuencia fundamental impulsos de una frecuencia armónica de ésta
más alta (SHG), y siendo bombeado el segundo generador óptico con
los impulsos (5) de la frecuencia armónica más alta,
caracterizado porque
el segundo generador óptico (7), como generador
paramétrico óptico, genera impulsos de una frecuencia de reposo en
un haz de reposo para proporcionar los segundos impulsos de la
segunda frecuencia en el segundo haz (8), siendo la segunda
frecuencia más baja que la primera frecuencia, y
el segundo generador óptico (7) genera impulsos
de una frecuencia de señal en un haz de señal (9), siendo la
segunda frecuencia más baja que la frecuencia de señal, y
solapándose la señal óptica no lineal (17) en interferencia
heterodina con el haz de señal (9) para la detección.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la suma de la frecuencia de reposo y la
frecuencia de señal de la frecuencia armónica más alta corresponde
en particular a la frecuencia de una segunda armónica.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2,
caracterizado porque la señal óptica no lineal (17), en
particular en forma de una señal CARS, se forma con una frecuencia
correspondiente al doble de la primera frecuencia menos la
frecuencia de reposo.
4. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado porque una posición de fase
óptica está definida entre un impulso del haz de señal (9) y la
señal óptica no lineal (17), en particular una posición de fase
óptica está indefinida entre un impulso del primer haz (3) y un
impulso del segundo haz (8).
\vskip1.000000\baselineskip
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque una frecuencia de la
señal óptica no lineal (17) se modifica con respecto a la frecuencia
de señal del haz de señal (9), y la señal óptica no lineal (17) se
detecta a través de una señal (4) que interfiere en función del
tiempo.
\vskip1.000000\baselineskip
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 5,
caracterizado porque una frecuencia y/o
fase de la señal óptica no lineal (17) se modifica con respecto a
la frecuencia y/o fase de señal modificando la primera frecuencia
y/o fase, en particular a través de un medio modulador de
frecuencia y/o modulador de fase, por ejemplo un modulador
acústico-óptico (AOM).
\vskip1.000000\baselineskip
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 6,
caracterizado porque el primer haz (3) y
el segundo haz (8) se solapan de forma colineal y/o el haz de señal
(9) o una parte del mismo se solapa de forma colineal con la señal
óptica no lineal (17), en particular en un detector (19), y/o el
haz de señal (9) o una parte del mismo se solapa de forma colineal
con el primer haz (3) y el segundo haz (8), en particular en el
material (16).
\vskip1.000000\baselineskip
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado porque se elige una
intensidad del haz de señal (9) tan baja que el haz de señal (9) no
influye en la potencia de la señal óptica no lineal (17).
\newpage
\global\parskip0.930000\baselineskip
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado porque se elige una
intensidad del haz de señal (9) tan alta que la potencia de la señal
óptica no lineal (17) aumenta con la intensidad del haz de señal
(9).
\vskip1.000000\baselineskip
10. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 9,
caracterizado porque los campos del
primer haz (3) y el segundo haz (8) están copolarizados o no
copolarizados, por ejemplo con polarización cruzada, o se eligen de
tal modo que el campo de excitación (2) esté polarizado de forma
circular o elíptica.
\vskip1.000000\baselineskip
11. Sistema óptico (10) para generar una señal
óptica no lineal en un material (16) excitado por un campo de
excitación (2), en el que primeros y segundos campos coherentes con
el campo de excitación (2) de impulsos ópticos de diferente
frecuencia se solapan en el tiempo y localmente en el material (16),
en particular mediante un procedimiento según la reivindicación 1,
que presenta:
- -
- un primer generador óptico (1) para generar los primeros impulsos de una primera frecuencia en un primer haz (3);
- -
- un medio (18) para generar impulsos (5) de una frecuencia armónica más alta con los primeros impulsos de la primera frecuencia como frecuencia fundamental;
- -
- un segundo generador óptico (7), que puede ser bombeado por el primer generador óptico (1) de forma sincrónica con los impulsos (5) de la frecuencia armónica más alta, en forma de un generador paramétrico óptico para generar impulsos de una frecuencia de reposo en un haz de reposo como segundos impulsos en el segundo haz (8) en una segunda frecuencia, y para generar impulsos de una frecuencia de señal en un haz de señal (9), siendo la segunda frecuencia más baja que la primera frecuencia y más baja que la frecuencia de señal;
- -
- medios de guía de haz (11) para solapar en el tiempo y localmente un primer impulso del primer haz y un segundo impulso del haz de reposo;
- -
- otros medios de guía de haz (12) diseñados para detectar la señal óptica no lineal mediante solapamiento de interferencia heterodino con el haz de señal (9).
\vskip1.000000\baselineskip
12. Sistema óptico según la reivindicación 11,
caracterizado por un medio (14) para modificar la frecuencia
de la señal óptica no lineal con respecto a la frecuencia de señal
del haz de señal, y un detector (19) y otros medios de guía de haz
(12) para el solapamiento de interferencia heterodino de la señal
óptica no lineal (17) con el haz de señal (9) en el detector (PD,
APD, PMT).
13. Sistema óptico según la reivindicación 11 o
12, caracterizado porque el primer generador óptico (1) está
configurado en forma de un láser, en particular un láser Nd:YAG o un
láser Ti:zafiro, diseñado en particular para generar impulsos de
picosegundos y/o impulsos de femtosegundos.
14. Sistema óptico según una de las
reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque el segundo
generador óptico (7) está configurado en forma de un oscilador
paramétrico óptico, en particular un KTP-OPO o
LBO-OPO, o el segundo generador óptico (7) está
configurado en forma de un generador paramétrico óptico o un
amplificador paramétrico óptico, diseñado en particular para
generar impulsos de pico-segundos y/o impulsos de
femtosegundos.
15. Sistema óptico según una de las
reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque el medio (18)
está configurado para generar impulsos de una frecuencia armónica
más alta en forma de un doblador de frecuencia, en particular con
uno o más cristales no lineales.
16. Sistema óptico según una de las
reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque el medio para
generar una frecuencia armónica más alta está dispuesto entre el
primer generador óptico (1) y el segundo generador óptico (7), y/o
el medio para generar una frecuencia armónica más alta está
configurado en un resonador del primer generador óptico.
17. Sistema óptico según una de las
reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque un medio (14)
para modificar la frecuencia y/o la fase de la señal óptica no
lineal con respecto a la frecuencia y/o la fase del haz de señal
está dispuesto como un medio para modificar la fase y/o la
frecuencia fundamental en el primer haz (3), y/o la fase y/o la
frecuencia de reposo en el haz de reposo (8), y/o la fase y/o la
frecuencia de señal en el haz de señal (9), y está configurado en
particular en forma de un modulador acústico-óptico (AOM).
18. Utilización de un procedimiento según una de
las reivindicaciones 1 a 10 y/o un sistema óptico (19) según una de
las reivindicaciones 11 a 17 para la microscopía y/o la
espectroscopia, en particular la microscopía CARS y/o la
espectroscopia CARS.
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