LÁSER PULSADO ANCLADO EN MODOS CON ABSORBENTE SATURABLE 5 SECTOR DE LA TÉCNICA La presente invención se refiere al campo de las fuentes láser, y más concretamente a un láser pulsado anclado en modos basado en absorbentes saturables. 10 ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN Los láseres pulsados ultrarrápidos son sistemas emisores de luz capaces de concentrar una gran energía de radiación electromagnética en un período de tiempo muy breve, típicamente del orden de picosegundos a femtosegundos. Sus aplicaciones abarcan 15 sectores tan diversos como la medicina, la industria, las comunicaciones ópticas y la investigación científica. Entre sus aplicaciones más significativas cabe destacar, por ejemplo, la cirugía ocular, el micromecanizado de materiales, la generación de armónicos de orden superior o la espectroscopía no lineal. 20 Típicamente, los láseres ultrarrápidos comprenden un resonador con un medio de ganancia óptica, que genera en su salida uno o varios modos de oscilación con frecuencias ligeramente distintas y una relación de fase estable y definida, de manera que interfieran constructivamente durante la duración del pulso. En este tipo de láseres de anclado en modos (del inglés 'mode locked'), el periodo de repetición de los pulsos (Trep), es decir, el 25 tiempo que transcurre entre la emisión de dos pulsos consecutivos, queda determinado por la longitud óptica del resonador. Asimismo, la potencia de pico de los pulsos depende linealmente con la potencia media y el tiempo de repetición de los pulsos, y es inversamente proporcional a la anchura de dichos pulsos (determinada a su vez por el tiempo de respuesta del material, entre otros factores). 30 Se conocen en el estado de la técnica diversas estrategias, tanto activas como pasivas, para conseguir el anclaje entre los modos de un láser. Entre los anclajes pasivos, destaca el uso de absorbentes saturables basados en semiconductores, así como de materiales que introducen efecto Kerr. En particular, los absorbentes saturables presentan un 35 comportamiento óptico no lineal, introduciendo pérdidas que dependen de la intensidad incidente, consiguiendo que las componentes más intensas del campo eléctrico 2
experimenten mayor ganancia neta y se vean favorecidas sobre el modo continuo. De esta forma, los pulsos suficientemente intensos, que se forman de manera aleatoria en la cavidad resonante del láser, pueden transmitirse, mientras que el fondo del láser se atenúa hasta virtualmente desaparecer. Las patentes US 5,488,620 A Y US 5,436,925 A presentan 5 sendos ejemplos de anclaje de modos pasivo mediante absorbentes saturables basados en semiconductores. Dentro del anclaje de modos mediante absorbentes saturables, se conoce un régimen de trabajo denominado 'modo solitón', obtenido en función de diferentes parámetros propios 10 del resonador: la no linealidad y dispersión de la fibra, longitud de cavidad resonante y rango de potencias de trabajo. En particular, se da el régimen de solitón para un determinado rango de potencia y un rango también de longitudes de la cavidad que verifican las siguientes condiciones: 15 La potencia de pico en el resonador tiene que ser similar a la potencia de pico para generar el solitón. -El periodo del solitón tiene que ser menor o igual que la longitud de la cavidad. Los láseres que operan en modo solitón proporcionan una mayor estabilidad y una anchura 20 de pulso prácticamente independiente de otros parámetros del material o del elemento resonador. No obstante, para alcanzar este régimen es necesario implementar configuraciones de fibra ligeramente más complejas que combinan dispersión normal y anómala hasta conseguir alcanzar la condición de solitón, incrementándose así la complejidad global del montaje. Adicionalmente, se reduce el rango de operación en 25 términos de potencia máxima de trabajo. A la hora de modular la radiación del láser en el interior del resonador, existen dos propiedades fundamentales de los semiconductores: la región prohibida de energía (del inglés 'bandgap') y los tiempos de relajación. La región prohibida de energía es la 30 separación entre las bandas de conducción y de valencia en un semiconductor, es decir, la banda en la cual existe una ausencia de niveles permitidos para los electrones y huecos. Por lo tanto, el valor de la región prohibida de energía está relacionado con los procesos ópticos de emisión/absorción que pueden ocurrir en el mismo, como por ejemplo la absorción de fotones o la emisión espontánea de fotones. 35 Cuando la radiación electromagnética incide sobre un semiconductor, dicha radiación 3
puede ser absorbida por el medio. Los electrones más externos, que en un estado relajado tienen una mayor probabilidad de encontrarse en la banda de valencia, pueden utilizar dicha energía para producir una transición, conocida como absorción óptica, para pasar a la banda de conducción y superar el bandgap, dejando un hueco en la banda de valencia. 5 Se crea así lo que se conoce como par electrón-hueco. Estos pares electrón-hueco poseen un tiempo de relajación, transcurrido el cual existe una gran probabilidad de que se recombinen, decayendo el electrón de nuevo a la banda de valencia. Este proceso de decaimiento puede llevar asociada la emisión de un nuevo fotón, cuya energía asociada será la energía del bandgap, en un proceso conocido como decaimiento radiativo. En otros 10 casos, el decaimiento del electrón a la banda de valencia no da lugar a la emisión de un nuevo fotón, produciéndose un decaimiento no radiativo. En particular, cuando incide luz de alta intensidad óptica en un semiconductor, puede ocurrir que una gran cantidad de fotones sean absorbidos, produciendo que muchos 15 electrones puedan transitar desde la banda de valencia a la banda de conducción. Si esto ocurre, se puede dar el proceso conocido como saturación de la absorción interbanda, en el cual el borde de la banda de conducción se satura de electrones. En esta situación, la probabilidad de que un fotón de energía próxima al bandgap sea absorbido disminuye, provocando que el material se vuelva más transparente a dichos valores de energía. Es 20 decir, a mayor intensidad óptica incidente, mayor es la transmisión que presenta el material. Este fenómeno está directamente relacionado con el tiempo de decaimiento de los electrones en el semiconductor (tiempo de respuesta o tiempo de recuperación). Por otro lado, existe la posibilidad de utilizar semiconductores que presenten saturación de 25 la absorción vía transición intrabanda (o intersubbanda). Esta transición no se da entre los bordes de la banda de valencia y la de conducción sino entre diferentes niveles de energía dentro de una de las dos bandas. Estas transiciones intrabanda (o intersubbanda) se obtienen mediante 'ingeniería de bandgap' de heteroestructuras basadas en pozos, puntos e hilos cuánticos. Aunque el uso de estas heteroestructuras supone una mayor complejidad 30 a la hora de optimizar el material para una determinada respuesta resonante a la longitud de onda de trabajo, las transiciones intrabanda (o intersubbanda) presentan tiempos de recuperación que pueden ser al menos un orden de magnitud menor que los obtenidos vía transiciones interbanda. 35 Así pues, los absorbentes saturables basados en semiconductor trabajan típicamente de acuerdo con este principio de funcionamiento utilizando tanto transiciones interbanda como 4
intrabanda (O intersubbanda). No obstante, los láseres pulsados anclados en modos basados en absorbentes saturables conocidos en el estado de la técnica presentan limitaciones en términos de potencia de pico, energía por pulso, estabilidad y rango de operación. Asimismo, presentan dependencias con la polarización que limitan su operación 5 y aumentan la complejidad de los medios de acondicionamiento de señal incluidos en el resonador. Por otra parte, es conocido el uso de nitruros de grupo 111 (AIN, InN, GaN y aleaciones) con diversas funcionalidades dentro del campo de las fuentes láser. Por ejemplo, US 10 2012/0127464 A1 incluye este tipo de nitruros como parte de un amplificador óptico de semiconductor (SOA, del inglés 'Semiconductor Optical Amplifier'). Por su parte, US 2012/0250714 A 1 utiliza estos materiales como sustrato para guías de onda, US 2001/0036209 A1 en elementos aislantes y US 4,986,661 en cubiertas anti-reflejantes. Finalmente, US 7,031,365 utiliza guías de onda con regiones activas a base de nitruros del 15 grupo 111, si bien dichas regiones activas operan como galería susurrante (del inglés 'whispering galiery') sin producirse ningún anclaje de modos ni contar el dispositivo con absorbentes saturables. Ninguno de estos dispositivos permite, por lo tanto, solventar las limitaciones descritas para los láseres pulsados anclados en modos mediante absorbentes saturables previamente descritos. 20 Por lo tanto, sigue existiendo en el estado de la técnica la necesidad de un láser anclado en modos basado en absorbentes saturables que proporcione una mayor potencia de pico y energía de pulso, sin aumentar la complejidad del sistema. 25 DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN La presente invención soluciona los problemas anteriormente descritos mediante un láser pulsado anclado en modos basado en un resonador con un medio de ganancia óptica y un absorbente saturable, en el que el absorbente saturable comprende al menos un nitruro 30 del grupo 111. De acuerdo con diversas implementaciones preferentes, el nitruro de grupo 111 se selecciona de entre uno de los siguientes subgrupos, pudiendo no obstante un mismo absorbente saturable comprender elementos de varios subgrupos y/o múltiples elementos 35 de un mismo subgrupo con el fin de configurar la longitud de onda y potencia de emisión del dispositivo: 5
5 10 Un primer subgrupo formado por los compuestos binarios: nitruro de galio (GaN), nitruro de aluminio (AIN) o nitruro de indio (InN). Un segundo subgrupo formado por compuestos ternarios de nitruro de galio y nitruro de indio, como por ejemplo InGaN. -Un tercer subgrupo formado por compuestos ternarios de nitruro de galio y nitruro de aluminio, como por ejemplo AIGaN. -Un cuarto subgrupo formado por compuestos ternarios de nitruro de aluminio y nitruro de indio, como por ejemplo AllnN. Un quinto grupo formado por los compuestos cuaternarios de nitruro de galio, nitruro de aluminio y nitruro de indio, como por ejemplo AllnGaN. Preferentemente, la longitud de onda de emisión del láser pulsado está comprendida en un rango comprendido entre 450 nm y 5 ~m. Es decir, el resonador y el absorbente saturable 15 está configurado, mediante ingeniería de banda prohibida, para generar radiación electromagnética centrada en cualquier longitud de onda comprendida entre el espectro visible, el espectro infrarrojo cercano y el espectro infrarrojo medio. En lo referente al formato del absorbente saturable dentro del resonador, se contemplan 20 asimismo varias opciones preferentes: 25 -Un medio monolítico (del inglés 'bulk'), lo que permite el acceso a distintas configuraciones espaciales para la interacción de la radiación y el absorbente saturable. Una lámina delgada, lo que permite su desarrollo sobre substratos adecuados y con distintas técnicas de depósito. -Una guía de onda, para facilitar la integración del absorbente en estructuras complejas así como el acceso a distintos planos de incidencia cuando el absorbente está depositado en forma de lámina delgada. 30 -Una heteroestructura que comprende pozos cuánticos, puntos cuánticos y/o hilos 35 cuánticos para optimizar y controlar su tiempo de respuesta y su respuesta óptica no-lineal. Nótese que dicha heteroestructura puede a su vez ser implementada en cualquiera de las modalidades anteriores (medio monolítico, lámina delgada y guía de onda). Preferentemente, la propagación de señales dentro del resonador puede realizarse bien en 6
5 10 espacio libre, bien en un medio de fibra óptica, bien en una combinación de los dos anteriores. Asimismo, puede comprender preferentemente medios de colimación y/o enfoque tales como lentes u objetivos de microscopio para optimizar la interacción entre la radiación láser propagada por el resonador y el absorbente saturable. En cuanto a la disposición de los elementos dentro del resonador, se contemplan dos geometrías preferentes: -Un resonador en anillo, de modo que la radiación láser interactúa una única vez con el absorbente saturable en un recorrido completo por el resonador. Un resonador con uno o más elementos reflectantes, de modo que la radiación láser interactúa dos veces con el absorbente saturable en un recorrido completo por el resonador. 15 Preferentemente, y gracias a la flexibilidad de diseño proporcionada por el uso de nitruros del grupo 111, el láser pulsado opera por encima del umbral límite de anclaje en modos en régimen de solitón. Es decir, mientras que en las fuentes láser pulsadas basadas en absorbentes saturables trabajando en modo solitón la potencia de emisión está limitada por dicho umbral, el láser pulsado de la invención no presenta esta restricción. En 20 consecuencia, tanto la longitud óptica del resonador como la ganancia del medio de ganancia óptica están seleccionadas para operar por encima del dicho umbral, consiguiendo una mayor potencia de pico y energía de pulso. Además, el hecho de obtener el pulso fuera del régimen de solitón elimina la dependencia con la dispersión normal y anómala dentro de la cavidad láser. 25 También preferentemente, el resonador puede ser un resonador sin medios de acondicionamiento de polarización. Es decir, el uso de algunos nitruros del grupo 111, como por ejemplo aquellos basados en InN/lnGaN o InN monolítico, permite operar independientemente de la polarización de las señales propagadas por el resonador, 30 simplificando notablemente el diseño y control del mismo. El láser anclado en modos descrito proporciona, por lo tanto, una elevada potencia de pico, energía por pulso, estabilidad y rango de operación sin incrementar la complejidad del sistema. Asimismo, permite operar independientemente de la polarización, simplificando 35 notablemente el diseño y el control del dispositivo. Éstas y otras ventajas de la invención serán aparentes a la luz de la descripción detallada de la misma. 7
DESCRIPCiÓN DE LAS FIGURAS Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención de 5 acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, y para complementar esta descripción, se acompañan como parte integrante de la misma las siguientes figuras, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo: La figura 1 muestra un láser anclado en modos basado en nitruros del grupo 111 con un 10 resonador en anillo, de acuerdo con una implementación particular de la invención. 15 La figura 2 presenta un láser anclado en modos basado en nitruros del grupo 111 con un resonador implementado con elementos reflectantes, de acuerdo con una implementación particular de la invención. La figura 3 ilustra un láser anclado en modos basado en nitruros del grupo 111 con un resonador en espacio libre, de acuerdo con una implementación particular de la invención. La figura 4 ejemplifica una implementación particular del medio de ganancia óptica de la 20 invención basado en una fibra dopada y un láser de bombeo. REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN En este texto, el término "comprende" y sus derivaciones (como "comprendiendo", etc.) no 25 deben entenderse en un sentido excluyente, es decir, estos términos no deben interpretarse como excluyentes de la posibilidad de que lo que se describe y define pueda incluir más elementos, etapas, etc. La figura 1 presenta una realización preferente del láser pulsado de la invención que 30 comprende un resonador (1) en anillo que combina propagación en un medio de fibra óptica (2) y en espacio libre (3). Nótese, no obstante, que todas las topologías de resonador utilizadas como ejemplos de la invención pueden implementarse también únicamente en fibra óptica (2), únicamente en espacio libre (3) o con cualquier combinación de los dos medios. 35 El láser comprende un acoplador (10) que permite extraer una parte de la señal pulsada 8
generada en el resonador (1) hacia una salida (80), mientras que el resto de dicha señal pulsada se mantiene en dicho resonador (1). Dentro del resonador (1), el dispositivo comprende también un medio de ganancia óptica (20) y un absorbente saturable (50), generalmente con su capa activa posicionada perpendicularmente al eje óptico del sistema, 5 que introduce pérdidas dependientes de la intensidad dentro de la cavidad resonante. El resonador puede contar con cualquier medio adicional de acondicionamiento de señal (30), pudiendo dichos medios de acondicionamiento de señal (30) implementarse en la sección de propagación en fibra óptica (2) en la sección de propagación en espacio libre (3) o en ambos. Adicionalmente, el resonador comprende medios de transición (60) que actúan 10 como interfaz entre el medio de fibra óptica (2) y la sección de propagación en espacio libre (3), y medios de optimización (40) que optimizan la interacción entre la radiación láser y el absorbente saturable (50). Los medios de acondicionamiento de señal (30) pueden comprender, por ejemplo, 15 aisladores en fibra óptica, polarizadores, láminas antirreflejantes, elementos para el control de la polarización, lentes ópticas, diafragmas, etc. Asimismo, los medios de acondicionamiento de señal (30) pueden comprender segmentos adicionales de fibra óptica (2) u otros elementos que introducen dispersión normal o anómala. Por ejemplo, en el caso de un absorbente saturable (50) con una heterostructura basada en pozos y puntos 20 cuánticos de GaN/AIN, se necesita un control de polarización de la luz y la colocación de dicho absorbente saturable con su capa activa con ángulo respecto a la dirección de propagación de la radiación electromagnética (eje óptico) para acceder a la polarización TM (transversal magnética) de la luz. Nótese, no obstante, que gracias al uso de nitruros del grupo 111, es posible implementar láseres pulsados sin control de polarización dentro del 25 resonador. Los medios de optimización (40), de incluirse, pueden comprender cualquier dispositivo conocido en el estado de la técnica para colimar y/o enfocar radiación láser, como por ejemplo, lentes, objetivos de microscopio, fibras ópticas terminadas en lente, fibras ópticas 30 estrechadas (del inglés 'tapered'), etc. Igualmente, los medios de transición (60) pueden comprender cualquier tecnología conocida en el estado de la técnica para pasar de un medio de fibra óptica (2) a un medio de propagación en espacio libre (3) y viceversa, con pérdidas optimizadas, como por ejemplo, colimadores ópticos, conjuntos de objetivo de microscopio y fibra óptica, etc. 35 Finalmente, el absorbente saturable (50) está basado en nitruros del grupo 111, es decir 9
nitruros de galio, aluminio o indio y sus posibles aleaciones. Nótese que dichos nitruros del grupo 111 actúan directamente en el proceso de absorción saturada, independientemente de que el dispositivo comprenda o no otros nitruros del grupo 111 con otras funcionalidades ajenas a este proceso, como por ejemplo, la fabricación de sustratos o recubrimientos. Los 5 nitruros del grupo 111 pueden estar integrados en distintas configuraciones, como por ejemplo, material masivo, láminas delgadas, heteroestructuras basadas en pozos, puntos e hilos cuánticos, guías de onda, etc. El absorbente saturable (50) basado en nitruros del grupo 111 está preferentemente 10 configurado para obtener pulsos ultrarrápidos (con frecuencias típicamente del orden de kilohertzios a megahertzios), de alta energía de pulso (típicamente del orden de picojulios a microjulios). Mediante ingeniería de banda prohibida (del inglés 'bandgap') del absorbente saturable, se determina la longitud de onda de emisión del láser pulsado, que puede abarcar desde 0.450 ~m (visible) hasta 5 ~m (infrarrojo medio). Adicionalmente, la 15 gran estabilidad química y térmica de los nitruros del grupo 111 permite obtener una gran estabilidad en la señal óptica emitida por el láser, mientras que los rápidos tiempos de recuperación interbanda y/o intersubbanda de dichos materiales resultan en la generación de pulsos ultracortos (típicamente del orden de femtosegundos a picosegundos). 20 En particular, la frecuencia de operación del láser puede llegar hasta decenas de megahertzios, por ejemplo mediante un anillo de fibra de entre 1 y 10 metros de longitud utilizando un SOA como elemento amplificador. Asimismo, el láser puede emitir pulsos de hasta microjulios de energía de pulso y con una anchura de pulso desde los picosegundos hasta por debajo de los 100 fs. Además, la longitud de onda de emisión del láser pulsado 25 puede abarcar desde 450 nm hasta 5 ~m La figura 2 presenta una topología alternativa al resonador (1) en anillo, en el que dicho resonador (1) comprende dos reflectores (70) en sus extremos. En el caso del reflector (70) en fibra óptica (2), puede implementarse por ejemplo mediante redes de Bragg. En el caso 30 del reflector (70) en espacio libre (3), dicho reflector (70) puede implementarse mediante espejos como por ejemplo DBRs (reflector distribuido de Bragg, del inglés 'Distributed Bragg Reflector'), láminas delgadas de una material de alta reflectividad a la longitud de onda de trabajo o cualquier otro reflector. Nótese que en este caso, la radiación electromagnética generada atraviesa dos veces el absorbente saturable (50) antes de ser 35 amplificada por los medios de ganancia óptica (20), lo que determina el diseño del absorbente saturable (50). Por ejemplo, en el caso de heteroestructuras cuánticas, puede 10
ser necesario reducir el número de periodos respecto a la topología en anillo, así como reducir la longitud de guías de ondas o el espesor de láminas delgadas o estructuras monolíticas. 5 La figura 3 presenta una tercera topología de resonador (1) en espacio libre (3) con un reflector (70) en un extremo y un divisor de haz (90) en el extremo opuesto. Dicho divisor de haz (90) refleja una parte de la radiación, manteniéndola en el interior del resonador (1), y extrae otra parte de la radiación hacia la salida (80). 10 Finalmente, la figura 4 presenta con mayor detalle los elementos que conforman una posible implementación del medio de ganancia óptica (20). Dichos medios de ganancia óptica (20) comprenden, en este caso, una fuente de bombeo (21) Y un medio activo (22). La fuente de bombeo (21) es típicamente un diodo láser, mientras que el medio activo (22) puede ser una fibra dopada con un lantánido, como por ejemplo Erbio, Yterbio o 15 Praseodimio. Tanto la frecuencia de emisión de la fuente de bombeo (21) como el rango de amplificación de la fibra dopada (22) están adaptados a la longitud de onda de absorción del absorbente saturable (50) basado en nitruros del grupo 111 utilizado. Nótese, no obstante, que es posible implementar el medio de ganancia óptica (20) con cualquier otra técnica de amplificación conocida para láseres anclados en modos en el estado de la 20 técnica, siempre que opere con la ganancia y longitud de onda requeridos por el absorbente saturable (50) basado en nitruros del grupo 111, como por ejemplo puede ser el caso de los amplificadores ópticos de semiconductor. Nótese asimismo que el medio de ganancia óptica (20) puede implementarse también en espacio libre, por ejemplo, mediante gases como He-Ne o Argón, o cristales como rubí o Nd-YAG, entre otros. En cualquiera de los 25 casos, el medio de ganancia óptica (20) comprende una banda de amplificación que comprende la longitud de onda a la que está optimizado el absorbente saturable (50). Nótese que el láser pulsado de la invención puede comprender cualquier medio de amplificación y/o acondicionamiento adicional de manera externa al resonador (1). En 30 particular, puede comprender un amplificador siguiendo un esquema MOPA (Amplificador de potencia de oscilador maestro, del inglés 'Master Oscillator Power Amplifier'), permitiendo aumentar la potencia de los pulsos generados en el resonador (1) Y reducir su duración temporal. El amplificador puede implementarse siguiendo el esquema previamente descrito para la figura 4, o utilizar cualquier otro esquema de amplificación 35 alternativo. 11
5 A la vista de esta descripción y figuras, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin salir del objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada. El trabajo que ha dado lugar a esta invención ha recibido financiación del programa EURAMET a través del proyecto 141N013 JRP-i22, así como del plan Nacional de 1+0 del Ministerio de Economía y Competitividad con el proyecto TEC2012-37958-C02-01. 12