ES2566613T3

ES2566613T3 - Arreglo de amplificador óptico

Info

Publication number: ES2566613T3
Application number: ES14178635.0T
Authority: ES
Inventors: Jason Robert Lee; Benjamin Stuart Fulford
Original assignee: Rofin Sinar UK Ltd
Current assignee: Rofin Sinar UK Ltd
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2034-07-25
Also published as: US20150043057A1; GB2505315B; TW201507301A; KR101617533B1; EP2835881B1; EP2835881A1; TWI533543B; CN104348072A; KR20150017666A; US9306366B2; JP5797822B2; CN104348072B; GB201314098D0; JP2015035602A; GB2505315A

Abstract

Aparato que comprende un oscilador que emite un haz (12) para amplificarse y un amplificador óptico (10), el amplificador óptico que comprende: un medio de amplificación (14) que tiene una sección transversal rectangular con un borde largo y un borde corto, el borde corto de la sección transversal se encuentra a lo largo de un eje x, el borde largo se encuentra a lo largo de un eje y, y con el eje z, los ejes x, y, y z forman un sistema de coordenadas rectangular; al menos dos espejos altamente reflectivos (20,22), en donde el medio de amplificación se dispone entre los al menos dos espejos altamente reflectivos, en donde los al menos dos espejos altamente reflectivos se diseñan y se disponen de manera que el haz realiza al menos una reflexión de cada uno de los al menos dos espejos altamente reflectivos para definir las primera y segunda trayectorias (16, 18), cada una de las trayectorias que comprende una pluralidad de cruces (32) a través del medio de amplificación en el plano yz, en donde las primera y segunda trayectorias son distintas entre sí y se superponen en el medio de amplificación, caracterizado porque: el haz, en la entrada al amplificador óptico, realiza un doble paso de una primera trayectoria (16) en una etapa del preamplificador (46) y después realiza un único paso de una segunda trayectoria (18) en un etapa del amplificador de potencia.

Description

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DESCRIPCION

Arreglo de amplificador optico

La presente invencion se relaciona con un aparato amplificador optico para usar en la amplification de pulsos iniciales ultracortos de baja potencia, de frecuencia reducida, y en particular, aunque no de manera exclusiva, con un aparato amplificador optico que tiene un preamplificador y un amplificador de potencia integrado en una unica region activa de placa cristalina.

Los laseres con anchos de pulso de menos de 10 ps proporcionan nuevas capacidades de procesamiento en aplicaciones industriales de micromecanizacion. Sin embargo, las velocidades de procesamiento que permiten la fabrication en masa requieren frecuencias de repetition de pulso de entre 100 kHz a 10 mHz, ajustables a una frecuencia optima con potencias promedio en exceso de 100 W. Tipicamente, tales combinaciones no pueden alcanzarse con la mayoria de las arquitecturas laser ya que la energia maxima de pulso esta limitada por los efectos no lineales y el dano al cristal laser. Los osciladores de disco laser delgados han alcanzado potencias proximas a 150 W, que se encuentran en el extremo inferior del intervalo de potencia requerido, pero a frecuencias de repeticion de pulso fijas de entre 3,50MHz y 60 MHz, que se encuentran por encima del intervalo requerido, y no pueden ajustarse facilmente a una frecuencia optima para un proceso especifico mientras que se mantiene la potencia promedio.

Actualmente, los amplificadores de potencia de oscilador maestro (MOPA) se usan para obtener las potencias promedio altas requeridas. En tal aparato un oscilador maestro laser de baja potencia genera pulsos del ancho requerido los cuales se acoplan en un amplificador de potencia. El pulso de entrada estimula la emision dentro del amplificador la cual se suma al pulso de entrada para crear un pulso de energia de salida mayor. Dado que la intensidad y la fluencia son significativamente menores de las que pueden alcanzarse dentro de un oscilador que tiene una salida similar, el aparato puede alcanzar energias y potencia de salida mayores antes de que ocurra el dano. Los MOPA se implementan en un numero de arquitecturas laser alternas.

El documento US 6,654,163 de Fraunhofer-Gesellschaft zur Foerderung der angewanten describe un aparato amplificador optico el cual se encuentra en el amplificador INNOSLAB disponible comercialmente de, por ejemplo, EdgeWave GmbH, Alemania. Como se ilustra en la Figura 1, este aparato tiene un medio del amplificador de placa cristalina rectangular A. El haz B, el cual se emite por un oscilador, recorre una trayectoria C entre los espejos D,E en los cuales el haz B cruza el medio del amplificador A varias veces. Con cada cruce del medio A, la section transversal del haz B aumenta en la direction x. El tamano del haz se mantiene en la direction y delgada. La expansion a lo largo del eje x se selecciona para asegurar que la intensidad del haz se mantiene casi constante mientras el haz se amplifica. El numero de cruces se selecciona para maximizar la superposition entre el haz B y el medio del amplificador A. De esta manera, al usar un unico paso a traves del amplificador, la energia almacenada puede extraerse de manera eficiente mientras que se evitan los umbrales para el dano y los efectos no lineales. Al usar tal aparato, se han alcanzado niveles de potencia promedio de 400 W con un ancho de pulso de 680 fs a una frecuencia de 76 MHz.

Una desventaja de este arreglo es que se requiere suficiente potencia de entrada para asegurar que ocurra la saturation efectiva en los pocos pasos iniciales a traves del amplificador.

Los sistemas amplificadores, los cuales se conectan despues en cascada a tal aparato oscilador-amplificador con un segundo amplificador de placa rectangular, donde el haz realiza una trayectoria de un cruce en un unico paso, pueden alcanzar niveles de potencia de hasta 1,1 kW con un ancho de pulso de 615 fs a una frecuencia de 20 MHz. Nuevamente, estas aproximaciones de la amplificacion dependen de que exista suficiente potencia inicial de entrada para asegurar la extraccion efectiva. Adicionalmente, un arreglo en cascada requiere un espacio considerable.

Para superar la desventaja de requerir suficiente potencia inicial de entrada, se ha propuesto la amplificacion de potencias iniciales menores con el uso de amplificadores de regeneration o etapas de preamplificacion. El documento US 7,903,715 de Gigaphoton Inc. detalla el uso de un amplificador de regeneracion en una arquitectura laser alterna. En la Figura 2 se muestra una modalidad donde una placa del medio de amplificacion F se usa para llevar a cabo las multiples funciones de un amplificador G dispuesto en la forma de la Figura 1, con un unico paso de multiples cruces del medio activo F, y un amplificador de regeneracion H, con multiples pasos de un unico cruce del medio activo F. Un laser de potencia inicial baja J se inyecta en un resonador que se forma de dos espejos M, N. La senal inyectada se introduce al conmutar un elemento fotoacustico K. El haz B despues realiza multiples pasos en un unico cruce entre los espejos M, N hasta que se extrae la mayor parte de la energia almacenada. En un tiempo conveniente, una celula Pockels L se conmuta y el haz B sale del amplificador de regeneracion H al amplificador G con el uso de un polarizador P. El arreglo es compacto de manera que el amplificador G y el amplificador de regeneracion H comparten el mismo medio activo F, pero se separan entre si en el medio F y operan como dispositivos ampliamente independientes.

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Una desventaja de este arreglo se encuentra en los requisitos para los componentes activos. Tales celulas Pockels y los elementos fotoacusticos anaden costo y complejidad al arreglo.

Los amplificadores opticos de tecnicas anteriores se describen ademas en KIRIYAMA H Y OTROS: "Demonstration of high energy-extraction efficiency in a novel laser-diode pumped eight-pass Nd:YAG zig-zag slab amplifier", FUSION ENGINEERING AND DESIGN, vol. 44, no. 1-4, 1 de febrero de 1999 (), paginas 419-422, XP004161777 y KIRIYAMA H Y OTROS: "Development of high-repetition-rate LD pumped Nd:YAG laser and its application", LASER PHYSICS, vol. 16, no. 4, 1 de abril de 2006 (), paginas 666-672, XP019316832.

Es un objetivo de la presente invention proporcionar un amplificador optico el cual proporciona amplification para pulsos iniciales ultracortos de baja potencia, de frecuencia reducida.

Es un objetivo adicional de al menos una modalidad de la presente invencion proporcionar un amplificador optico el cual integra un preamplificador y un amplificador de potencia en un medio activo con un acoplamiento parcial del preamplificador y el amplificador de potencia.

Es ademas un objetivo adicional de al menos una modalidad de la presente invencion proporcionar un amplificador optico el cual usa solamente componentes pasivos.

De acuerdo con un primer aspecto de la invencion se proporciona un aparato amplificador optico de acuerdo con la revindication 1.

Al proporcionar un arreglo donde el haz pasa a traves del medio de amplificacion a lo largo de una primera trayectoria de preamplificacion, regresa a lo largo de la misma primera trayectoria y despues pasa a traves del medio de amplificacion nuevamente a lo largo de una segunda trayectoria de amplificacion de potencia la cual se superpone localmente a la trayectoria de preamplificacion de manera que ocurre una parte del acoplamiento parcial, el sistema puede asegurar la saturation efectiva de todos los cruces a traves del amplificador. Adicionalmente, cuando el haz pasa sobre la primera trayectoria de preamplificacion dos veces, se alcanza la extraction de potencia eficiente. Dado que la segunda trayectoria difiere de la primera trayectoria, la superposition maximizada de las trayectorias con el medio de amplificacion puede alcanzarse por lo tanto al permitir la amplificacion de pulsos ultracortos de baja potencia a niveles de potencia optimos.

Preferentemente, el haz realiza al menos tres cruces del medio de amplificacion en cada trayectoria. Esto permite que el medio de amplificacion sea compacto y por lo tanto proporciona un dispositivo pequeno. Preferentemente, la segunda trayectoria realiza al menos un cruce adicional a la primera trayectoria. Opcionalmente, la segunda trayectoria realiza al menos dos veces la cantidad de cruces de la primera trayectoria. De esta manera, la superposicion con el medio de amplificacion se maximiza.

Preferentemente, el amplificador optico incluye un espejo de imagen localizado en un lado de la salida del medio de amplificacion en donde el haz incide sobre el espejo de imagen despues de un primer paso de la primera trayectoria y el espejo de imagen se dispone para volver a formar la imagen del haz de regreso a lo largo de la primera trayectoria para realizar el doble paso en la etapa del preamplificador. De esta manera, el haz de retorno es una imagen del haz en la entrada para el amplificador con el haz de retorno que se superpone exactamente a la primera trayectoria del haz a traves del amplificador lo que asegura un doble paso de la misma trayectoria. Cuando la ganancia a lo largo de la trayectoria es lo suficientemente alta, la segunda trayectoria asegura la saturacion y extraccion eficiente.

Preferentemente, el amplificador optico incluye la primera y la segunda lente localizadas en un lado de la entrada del medio de amplificacion en donde las lentes se disponen para formar un telescopio con un aumento de uno. De esta manera, el haz, al salir de la etapa del preamplificador, puede volver a formar su imagen para formar el haz de entrada a la etapa del amplificador de potencia.

Preferentemente una placa de cuarto de onda se localiza adyacente al espejo de imagen en el lado de la salida del medio de amplificacion. De esta manera, un haz linealmente polarizado que sale del medio de amplificacion puede convertirse para polarizarse circularmente, reflejarse en el espejo de imagen y pasar a traves de la placa de cuarto de onda nuevamente, la polarization circular se convierte a polarization lineal en una direction perpendicular a la polarization del haz en el primer paso de la primera trayectoria.

Preferentemente, el amplificador optico incluye una pluralidad de elementos de polarizacion. Preferentemente un primer elemento de polarizacion se localiza adyacente al espejo de imagen en el lado de la salida del medio de amplificacion. Preferentemente, un segundo elemento de polarizacion se localiza a un lado de la entrada del medio de amplificacion. Con mayor preferencia, el segundo elemento de polarizacion es un cubo de polarizacion. Preferentemente el cubo de

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polarizacion se dispone de manera que el haz de entrada emitido por el oscilador pasa a traves del cubo. De esta manera, el haz de entrada puede tener su polarizacion lineal establecida a una orientacion deseada, mientras que el haz de retorno de la etapa del preamplificador se reflejara en el cubo. Esta reflexion del haz de retorno permite que el haz sea dirigido al medio de amplification en una trayectoria diferente a la primera trayectoria para la etapa del amplificador de potencia.

Ventajosamente, el segundo elemento de polarizacion y la primera lente se disponen para acoplar el haz de entrada emitido por el oscilador al medio de amplificacion para la etapa del preamplificador. Con mayor preferencia, el cubo de polarizacion se dispone entre la primera y segunda lente. Esto proporciona un arreglo compacto. Preferentemente ademas, un espejo de retorno se localiza entre el segundo elemento de polarizacion y la segunda lente. El espejo de retorno redirige el haz de regreso al medio de amplificacion para la etapa del amplificador de potencia. El uso de un espejo de retorno entre la primera y segunda lente, pliega de manera efectiva el telescopio de manera que el arreglo es mas compacto.

En una modalidad, el amplificador optico incluye un selector de pulsos dispuesto en una entrada del amplificador optico. De esta manera, los pulsos pueden rechazarse del haz de entrada del oscilador para reducir la frecuencia y asi reducir la potencia de entrada promedio. Por lo tanto, la optimization de la frecuencia puede alcanzarse para una potencia promedio especifica.

Preferentemente los espejos altamente reflectivos son planos. De esta manera, el haz puede disponerse para pasar a traves de los espejos en la direction y en cada cruce en una trayectoria. Por lo tanto, se forma una trayectoria en zigzag entre los espejos. Alternativamente, los espejos altamente reflectivos pueden seleccionarse de un grupo que comprende: espejos esfericos, espejos cilindricos y espejos de diferentes radios de curvatura a lo largo de dos ejes perpendiculares. Preferentemente los espejos altamente reflectivos se disponen para que no sean paralelos.

Preferentemente el medio de amplificacion es una placa de forma rectangular y section transversal. Preferentemente, el medio de amplificacion es una unica placa cristalina opticamente excitada. La placa puede formarse en una estructura intercalada cristalina con un medio activo dopado dispuesto entre dos medios activos no dopados.

Alternativamente, el medio de amplificacion puede ser un gas excitado entre electrodos rectangulares para proporcionar una descarga de la placa que tiene una seccion transversal rectangular con un borde largo y un borde corto.

Las modalidades de la presente invention se describiran a continuation, solamente a modo de ejemplo, en las cuales:

La Figura 1 es un diagrama esquematico de un arreglo de una tecnica anterior de un amplificador optico;

La Figura 2 es un diagrama esquematico de un arreglo de una tecnica anterior de otro amplificador optico;

La Figura 3 es un diagrama esquematico de un amplificador optico de acuerdo con una modalidad de la presente invencion;

La Figura 4 es un diagrama esquematico de la etapa del preamplificador del amplificador optico de la Figura 3;

La Figura 5 es un diagrama esquematico de la etapa del amplificador de potencia del amplificador optico de la Figura 3;

La Figura 6 es un diagrama esquematico de un amplificador optico de acuerdo con una modalidad adicional de la presente

invencion; y

La Figura 7 es un grafico de la potencia inicial de entrada contra la potencia de salida de la etapa del preamplificador y la etapa del preamplificador y la etapa del amplificador de potencia integradas en un amplificador optico de acuerdo con una modalidad de la presente invencion.

Inicialmente se hace referencia a la Figura 3 de los dibujos la cual ilustra un amplificador optico, que generalmente se indica con el numero de referencia 10, donde un haz 12, emitido por un oscilador de baja potencia, de CW o pulsos (no mostrado)

se amplifica al pasar a traves de un medio de amplificacion 14 en una primera trayectoria 16, la cual realiza un doble paso a

traves del medio de amplificacion 14, y una segunda trayectoria 18, la cual realiza un unico paso a traves del medio de amplificacion 14, de acuerdo con una modalidad de la presente invencion. En cada trayectoria, el haz 12 cruza el medio de amplificacion 14 varias veces por reflexion de los espejos 20, 22 dispuestos en un lado de la entrada 24 y un lado opuesto de la salida 26 del medio de amplificacion 14, respectivamente.

El medio de amplificacion 14 es una unica placa cristalina que es rectangular en seccion transversal con un borde corto y un borde largo. El borde corto de la seccion transversal se encuentra a lo largo del eje x, el borde largo se encuentra a lo largo del eje y, y el eje z es el eje optico cuando los ejes x, y, y z forman un sistema de coordenadas rectangular. El borde largo se muestra en la Figura 1. En una modalidad, el medio de amplificacion es una estructura cristalina con un medio activo

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dopado intercalado entre dos secciones rectangulares no dopadas. Como se conoce en la tecnica, el medio de amplification 14 se bombea de manera optica lo que da una region activa de ganancia. Este bombeo puede ser mediante arreglos de diodos laser. En una modalidad alternativa, el medio de amplificacion se crea por una descarga de gas de la placa. Este es tipicamente un gas, tal como CO2 que se excita entre dos electrodos planos rectangulares dispuestos en paralelo.

Los espejos 20, 22 son altamente reflectivos de manera que la mayor parte de la potencia se transfiere a traves del amplificador optico 10. Los espejos 20, 22 son planos con un diametro suficiente para permitir que el haz 12 'camine' a traves de la superficie en la direction y. Los espejos se disponen de frente al primer 28 y segundo 30 extremos del medio de amplificacion 14 y escalonados de manera que el haz pueda entrar y salir de cada extremo 28, 30 sin recortar un borde de cualquiera de los espejos 20, 22. Aunque los espejos 20, 22 pueden disponerse para ser paralelos a los extremos 28, 30, puede introducirse un angulo de inclination para reducir la probabilidad de una oscilacion laser entre los espejos la cual no se asocia con el haz inicial. Esta oscilacion reducira la energia almacenada disponible para el haz inicial y reducira la potencia de salida alcanzable. En modalidades alternativas los espejos 20, 22 son esfericos, cilindricos o de diferentes radios de curvatura a lo largo de dos ejes perpendiculares, tipicamente x y y. Preferentemente, los espejos altamente reflectivos se disponen para que no sean paralelos.

El arreglo de los espejos 20, 22 es tal que un haz 12 que entra al medio de amplificacion 14 en el lado de la entrada realiza al menos una reflexion de cada uno de los espejos para definir una trayectoria que comprende una pluralidad de cruces 32 a traves del medio de amplificacion 14 en el plano yz. Cada cruce se encuentra en una position diferente de manera que el haz 12 incide sobre cada espejo 20, 22 en un punto diferente para cada reflexion a medida que viaja a traves del medio de amplificacion 14. La trayectoria de cruces 32 aparece como un zigzag a traves del medio 14. Podra apreciarse que el tamano del haz y la geometria del amplificador 10 pueden seleccionarse de manera que la trayectoria del haz 12 se superpone a una mayor parte del medio 14.

Un espejo de imagen 34 se localiza en el lado de la salida 26 del medio de amplificacion 14 en donde el haz 12 incide sobre el espejo de imagen 34 despues de un primer paso de la primera trayectoria 16. El espejo de imagen es un espejo esferico con un radio de curvatura que se selecciona para formar la imagen del haz 12 exactamente de regreso sobre el mismo. De esta manera, el haz 12 regresa a traves del medio de amplificacion 14 como un segundo paso. El haz de retorno es una imagen del haz en la entrada 24 para el amplificador 10 con el haz de retorno que se superpone exactamente a la primera trayectoria 16 del haz a traves del amplificador 10 lo que asegura un doble paso de la misma trayectoria 16.

El espejo de imagen 34 que se localiza adyacente es una placa de cuarto de onda 40. La placa de cuarto de onda 40 es un elemento estandar el cual convierte la luz linealmente polarizada en luz circularmente polarizada y viceversa. Un haz linealmente polarizado 12 que sale del medio de amplificacion 14 se convierte para ser circularmente polarizado, se refleja en el espejo de imagen 34 y pasa a traves de la placa de cuarto de onda 40 nuevamente, se convierte de regreso a polarization lineal pero en una direccion perpendicular a la polarization del haz 12 cuando salio del medio de amplificacion 14.

En el lado de la entrada 24 del medio de amplificacion 14 el haz polarizado 12, emitido por un oscilador u otro laser inicial, se introduce al amplificador 10. La primera 36 y la segunda 38 lentes se disponen juntas en el lado de la entrada con un cubo de polarizacion 42 y un espejo de retorno 44. El cubo de polarizacion 42 no afecta la polarizacion del haz de entrada 12 cuando pasa a traves de este y la lente 36 dispuesta en la trayectoria 16 puede usarse para acoplar el haz 12 en el medio de amplificacion 14. El cubo de polarizacion 42 se dispone de manera que el haz de retorno 12, que ha completado un doble paso del medio de amplificacion 14, se reflejara en su totalidad. El haz reflejado se dirige hacia el espejo de retorno 44 el cual se dispone para enviar el haz 12 de regreso al medio de amplificacion 14 en una segunda trayectoria 18 diferente e independiente de la primera trayectoria 16. Entre el espejo de retorno 44 y el medio de amplificacion 14 se dispone la segunda lente 38. Las primera 36 y segunda 38 lentes se disponen para formar un telescopio con un aumento de uno. De esta manera el haz vuelve a formar su imagen de regreso al medio de amplificacion 14.

Durante el uso, se proporciona un haz inicial de entrada linealmente polarizado 12. Esto se proporciona por una fuente tal como un oscilador de baja potencia, de onda continua o pulsos (no mostrado) el cual puede condicionarse con el uso de optica adecuada (no mostrada) para el acoplamiento optimo en el medio de amplificacion 14. En la entrada al amplificador 10, el haz 12 viajara a traves de una etapa del preamplificador 46. Esto se ilustra de mejor manera en la Figura 4, donde estas partes de la Figura 3 son relevantes para la etapa del preamplificador 46. Se les ha dado el mismo numero de referencia a tales partes para que la description sea mas clara.

La placa delgada de cristal del material del amplificador 14 se ha bombeado con diodos laser para crear una lamina delgada de ganancia. Dentro del material del amplificador de cristal 14 el haz 12 es confinado por la lente generada termicamente en la direccion x, tambien conocido como el eje delgado, mientras que el haz 12 puede bifurcarse libremente en la direccion y, tambien conocida como el eje ancho. El haz 12 continua viajando generalmente en la direccion z hasta que incide sobre el espejo de multiples rebotes 22. El angulo de inclinacion del espejo 22 dirige el haz 12 a lo largo de una segunda direccion

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para cruzar 32 a traves del cristal 14 hasta que incide sobre espejo 20. El espejo 20 despues redirige el haz 12 a traves del cristal 14 a lo largo de una direction adicional para cruzar nuevamente el cristal 14 hasta que sale del medio de amplification 14 al pasar a traves del extremo 30 del cristal 14 encima del espejo 22. El haz 12 ha recorrido una primera trayectoria 16 a traves del medio del amplificador 14 en un unico paso realizando tres cruces 32 en el medio de amplificacion 14.

El haz 12 se bifurca libremente despues a lo largo de ambos ejes antes de pasar a traves de la placa de cuarto de onda 40 la cual convierte los haces con polarization lineal inicialmente a polarization circular. El haz 12 despues golpea el espejo de imagen 34 antes de pasar nuevamente a traves de la placa de cuarto de onda 40 la cual convierte la polarizacion circular del haz a polarizacion lineal orientada, a lo largo de una direccion perpendicular, a la polarizacion cuando el haz 12 se introdujo en el amplificador 10. El espejo de imagen 34 se selecciona para asegurar que el haz 12 se refleja como una imagen del haz 12 en la entrada del amplificador 10. De esta manera, el haz reflejado 12 puede seguir de manera exacta la primera trayectoria 16 en sentido contrario a traves del material del amplificador 14 lo que asegura un doble paso de la trayectoria 16. La ganancia a lo largo del primer paso es suficientemente alta de manera que el segundo paso asegura la saturation y la extraction eficiente. El haz 12 despues sale del material del amplificador 14 a traves del extremo 24 en la misma localization en la que se introdujo. El doble paso inicial a lo largo de la trayectoria 16 del sistema amplificador 10 constituye una etapa del preamplificador 46.

De regreso a la Figura 3, el haz 12 viaja desde que sale del material del amplificador 14 y pasa a traves de la primera lente 36 antes de golpear el cubo de polarizacion 42. La rotation de la polarizacion que ocurrio en el haz en la placa de cuarto de onda 40 resulta en que el haz 12 se refleja internamente en el cubo de polarizacion 42. El cubo de polarizacion 42 hace que el haz 12 se redirija al espejo de retorno 44 el cual refleja el haz 12 en otra direccion lo que ocasiona que este pase a traves de la segunda lente 38. La primera lente 36 y la segunda lente 38 forman un telescopio con un aumento de uno el cual forma la imagen de la salida de la etapa del preamplificador 46 de regreso en el material del amplificador 14 y la etapa del amplificador de potencia 48.

En la etapa del amplificador de potencia 48, ilustrada en la Figura 5, donde estas partes de la Figura 3 son relevantes para esta etapa 48, el haz 12 primero se propaga en el material del amplificador 14 a lo largo de la direccion z, en este caso paralelo al lado 50 del material del amplificador 14. En la direccion x, la direccion delgada, el haz 12 es contenido nuevamente por la lente generada termicamente, mientras que en la direccion ancha, direccion y, el haz 12 se bifurca libremente. Al salir del medio de amplificacion 14 despues de un primer cruce 32 en el extremo 30, el haz 12 golpea el espejo 22 y se redirige a traves del material del amplificador 14 antes de golpear el espejo 20 y volver a redireccionarse. Multiples rebotes, en este caso seis rebotes, ocurren entre el espejo 20 y el espejo 22 lo que provoca que el haz 12 realice siete cruces a traves del material del amplificador 14, siguiendo una segunda trayectoria 18. Este unico paso a traves del medio de amplificacion 14 termina cuando el haz 12 se acopla en el borde alejado 52 del medio de amplificacion 14, pasando por encima del borde 54 del espejo 22. Tipicamente cualquiera de los siete, como se muestra, o nueve cruces del material del amplificador 14 crea la trayectoria 18 con el numero de cruces 32 seleccionado para maximizar la superposition del haz 12 con el material del amplificador 14 sin que el haz 12 vaya a recortar el borde superior 54 del espejo 54. La segunda trayectoria 18 a traves del sistema amplificador 10 se denomina la etapa del amplificador de potencia 48 y se disena para asegurar que la extraccion de energia de las areas no incluidas en la etapa del preamplificador 46 se maximice.

Se observa que la segunda trayectoria 18 cruza el mismo volumen del medio de amplificacion 14 que la primera trayectoria 16. Puede considerarse que las trayectorias 16, 18 se superponen en el medio de amplificacion 14 pero son independientes y distintas entre si gracias a los distintos angulos de entrada al medio de amplificacion 14. Como se muestra en la Figura 3, el acoplamiento optimo del haz 12 en el medio de amplificacion 14 puede alcanzarse cuando el haz entra al medio 14 en el mismo punto de entrada en las etapas del preamplificador 46 y del amplificador de potencia 48.

Con referencia ahora a la Figura 6 de los dibujos se ilustra el amplificador 10 con la inclusion de un selector de pulsos 56 en la entrada entre el laser de pulso inicial (no mostrado) y el cubo de polarizacion 42. Se conoce que para obtener altas energias de pulso en pulsos ultracortos, es frecuentemente necesario reducir la tasa de repetition del pulso. Esto puede alcanzarse al colocar un selector de pulsos 56 entre el laser inicial y el amplificador 10. El amplificador 10 actua despues solo en los pulsos deseados. Los pulsos bloqueados no constituyen necesariamente una gran perdida de energia dado que la potencia promedio del laser inicial sera pequena en comparacion con la potencia promedio de salida del amplificador 10, y la potencia promedio restante es suficiente para saturar el amplificador 10. En esta modalidad el unico componente activo es el selector de pulsos, los otros componentes son solamente pasivos.

En un ejemplo del amplificador optico 10 con un preamplificador integrado 46 y el amplificador de potencia 48, una potencia inicial de entrada se vario de entre 0 y 35 mW y el haz se acoplo a un amplificador de potencia de la placa delgada 14 que se bombea mediante el uso de cuatro barras de diodos (no mostrados) cada una que emite 90 W. La geometria se dispuso para proporcionar una primera trayectoria 16 de tres cruces 32 en la cual el haz 12 realizo un doble paso en la etapa del preamplificador 46 y una segunda trayectoria de siete cruces 32 en un unico paso de la etapa del amplificador de potencia

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48. Las mediciones previas del unico paso con un laser acoplado de fibra de cw ha demostrado un coeficiente de ganancia de senal pequena de aproximadamente 1,5 cm-1 bajo condiciones similares, mientras que el uso del medio de amplificacion de cristal 14 en un oscilador ha generado 145 W.

Con referencia a la Figura 7, se ilustra un grafico de potencia inicial de entrada 60, que va de 0 a 35 mW, contra la potencia de salida del preamplificador 62, que va de 0 a 5 W, y la potencia de salida del amplificador de potencia 64, que va de 0 a 50 W. La potencia de salida del preamplificador es de antes de introducir el amplificador de potencia. El potencia de salida del amplificador de potencia es de un amplificador con el amplificador de potencia de siete cruces. Aunque todos los puntos muestran un aumento en la potencia de salida del amplificador de potencia sobre el preamplificador, existe de manera significativa una mayor reduccion en la salida del preamplificador, ~65%, en comparacion con el amplificador de potencia, ~30%, cuando la entrada inicial se reduce de 33 mW a 5 mW. Esto demuestra la importancia del preamplificador en este diseno. La potencia adicional anadida al pulso inicial por el preamplificador es suficiente para saturar de manera efectiva el amplificador de potencia lo que introduce un grado de insensibilidad a la potencia inicial. Por ejemplo, una reduccion del 50% en la potencia inicial resulta en solo una reduccion del 10% en la salida del amplificador.

En una demostracion adicional, se alcanzo una salida de potencia de 50 W con una potencia inicial de cw de 30 mW con el uso de un amplificador de potencia de siete cruces. Esto es alrededor de tres veces mayor que una salida de 17 W lograda con una potencia inicial de 30 mW en un sistema que no tiene preamplificacion. El haz de salida se midio M2 < 1,3 y se observo que era de tipo gaussiano. Cuando el amplificador se opero con un amplificador de potencia de nueve cruces, la salida de potencia fue de 70 W mientras que se mantuvo la calidad del haz del haz de salida tipo gaussiano y M2 < 1,3.

Como puede observarse de los ejemplos anteriores, la inclusion de la etapa de preamplificacion 46 dentro del medio de amplificacion 14 significa que una entrada inicial significativamente por debajo de la potencia requerida para la saturation efectiva se amplifica al usar la etapa del preamplificador 46. La potencia de salida de la etapa del preamplificador 46 es lo suficientemente alta como para asegurar la saturacion efectiva del amplificador de potencia 48 para potencias iniciales tan bajas como 15 mW. La potencia de salida del amplificador de potencia 48 despues se ve poco afectada por los aumentos en la potencia inicial.

La ramification de este desempeno operacional es particularmente significativa al optimizar los parametros del pulso para procesos llevados a cabo con el uso de pulsos ultracortos. En un sistema tradicional donde el pulso inicial se encuentra a una frecuencia fija y a una potencia promedio modesta de hasta 5 W, un selector de pulsos se usara para rechazar un numero de pulsos adyacentes para reducir la frecuencia al valor requerido y por lo tanto en sistemas tradicionales, la potencia promedio de salida se reducira tambien significativamente. Si se aplicase un criterio similar de entrada al amplificador ilustrado en la Figura 6, tipicamente, la potencia de salida del amplificador 10 despues del selector de pulsos puede reducirse a una cantidad en la region de 0,1 % a 10 % de lo emitido del pulso inicial. Por lo tanto, el amplificador de la presente invention puede asegurar la amplificacion a una potencia promedio lo suficientemente alta para permitir los procesos industriales a las velocidades requeridas.

Una ventaja principal de la presente invencion es que esta proporciona un amplificador optico para amplificar pulsos iniciales ultracortos de baja potencia, de frecuencia reducida, los cuales generan potencias de salida a un nivel requerido para procesos de fabrication en masa eficientes.

Una ventaja adicional de la presente invencion es que esta proporciona un amplificador optico el cual integra un preamplificador y un amplificador de potencia en un medio activo con acoplamiento parcial del preamplificador y del amplificador de potencia que proporcionan un dispositivo compacto a un costo relativamente bajo.

Aun una ventaja adicional de una modalidad de la presente invencion es que esta proporciona un amplificador optico el cual usa solamente componentes pasivos.

Podra apreciarse por los expertos en la tecnica que pueden realizarse varias modificaciones a la invencion aqui descrita sin apartarse del alcance de la misma. Por ejemplo, puede crearse un haz estable o inestable al seleccionar la optica adecuada y/o al manipular el haz dentro del medio de amplificacion. El uso de un medio de amplificacion delgado puede, con el calentamiento suficiente, generar una lente termica para manipular el haz. Podria usarse una estructura de guia de onda indice la cual permite el calentamiento reducido de manera que la guia es mediante reflexion interna total y se evita una lente termica.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Reivindicaciones

1. Aparato que comprende un oscilador que emite un haz (12) para amplificarse y un amplificador optico (10), el amplificador optico que comprende:

un medio de amplification (14) que tiene una section transversal rectangular con un borde largo y un borde corto, el borde corto de la seccion transversal se encuentra a lo largo de un eje x, el borde largo se encuentra a lo largo de un eje y, y con el eje z, los ejes x, y, y z forman un sistema de coordenadas rectangular;

al menos dos espejos altamente reflectivos (20,22), en donde el medio de amplificacion se dispone entre los al menos dos espejos altamente reflectivos, en donde los al menos dos espejos altamente reflectivos se disenan y se disponen de manera que el haz realiza al menos una reflexion de cada uno de los al menos dos espejos altamente reflectivos para definir las primera y segunda trayectorias (16, 18), cada una de las trayectorias que comprende una pluralidad de cruces (32) a traves del medio de amplificacion en el plano yz,

en donde las primera y segunda trayectorias son distintas entre si y se superponen en el medio de amplificacion, caracterizado porque:

el haz, en la entrada al amplificador optico, realiza un doble paso de una primera trayectoria (16) en una etapa del preamplificador (46) y despues realiza un unico paso de una segunda trayectoria (18) en un etapa del amplificador de potencia.
2. Aparato como se reivindica en la reivindicacion 1 en donde existen al menos tres cruces (32) del medio de amplificacion (14) en cada trayectoria (16,18).
3. Aparato como se reivindica en la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2 en donde la segunda trayectoria (18) realiza al menos un cruce mas (32) que la primera trayectoria (16).
4. Aparato como se reivindica en cualquier reivindicacion anterior en donde el amplificador optico (10) incluye un espejo de imagen (34) localizado en un lado de la salida (26) del medio de amplificacion (14) en donde el haz (12) incide sobre el espejo de imagen despues de un primer paso de la primera trayectoria (16) y el espejo de imagen se selecciona para formar la imagen del haz exactamente de regreso sobre el mismo a lo largo de la primera trayectoria para realizar el doble paso en la etapa del preamplificador (46).
5. Aparato como se reivindica en cualquier reivindicacion anterior en donde el amplificador optico (10) incluye las primera y segunda lentes (36,38) localizadas en un lado de la entrada (24) del medio de amplificacion (14) en donde las lentes se disponen para formar un telescopio con un aumento de uno y en donde la imagen del haz, al salir de la etapa del preamplificador (46), se vuelve a formar a traves del telescopio para formar un haz de entrada a la etapa de amplificacion de potencia (48).
6. Aparato como se reivindica en cualquier reivindicacion anterior en donde el amplificador optico (10) incluye una pluralidad de elementos de polarization.
7. Aparato como se reivindica en la reivindicacion 4, en donde una placa de cuarto de onda (40) se localiza adyacente al espejo de imagen (34) en el lado de la salida (26) del medio de amplificacion (14).
8. Aparato como se reivindica en la reivindicacion 6 o la reivindicacion 7 en donde un primer elemento de polarizacion se localiza en un lado de la entrada (24) del medio de amplificacion (14).
9. El aparato amplificador optico (10) como se reivindica en la reivindicacion 8 en donde el primer elemento de polarizacion es un cubo de polarizacion (42).
10. Aparato como se reivindica en la reivindicacion 8 o la reivindicacion 9 en donde el primer elemento de polarizacion y la primera lente (36) se disponen para acoplar el haz (12) emitido por el oscilador al medio de amplificacion (14) para la etapa del preamplificador (46).
11. Aparato como se reivindica en la reivindicacion 9 o la reivindicacion 10 en donde el cubo de polarizacion (42) se dispone entre la primera y la segunda lente (36,38).
12. Aparato como se reivindica en la reivindicacion 11 en donde un espejo de retorno (44) se localiza entre el primer elemento de polarizacion y la segunda lente (38) para redirigir el haz de regreso al medio de amplificacion para la etapa de amplificacion de potencia (48).
13. Aparato como se reivindica en cualquier reivindicacion anterior en donde el amplificador optico (10) incluye un selector de pulsos dispuesto en una entrada del amplificador optico.
14. Aparato como se reivindica en cualquier reivindicacion anterior en donde los espejos altamente reflectivos (20,22) se

5 seleccionan de un grupo que comprende:

espejos planos, espejos esfericos, espejos cilindricos y espejos de diferentes radios de curvatura a lo largo de dos ejes perpendiculares.