ES2836507T3

ES2836507T3 - Nuevos dispositivos fotónicos basados en la refracción cónica

Info

Publication number: ES2836507T3
Application number: ES10708577T
Authority: ES
Inventors: Edik Rafailov; Amin Abdolvand; Todor Kalkandjiev
Original assignee: University of Dundee
Current assignee: University of Dundee
Priority date: 2009-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: EP2389608B1; CN102388334B; CA2750297C; US20120082179A1; US8542712B2; JP2012515935A; WO2010084317A1; CA2750297A1; JP5603880B2; CN102388334A; EP2389608A1

Abstract

Un láser que incluye un sistema óptico, el sistema óptico que comprende: un espejo de entrada cóncavo y un espejo de salida plano que definen juntos una cavidad láser; una fuente óptica de entrada, que comprende un láser de bombeo, para proyectar un haz de entrada a lo largo de un eje óptico en la cavidad láser, el haz de entrada que tiene un perfil de haz gaussiano; y un elemento óptico ubicado dentro de la cavidad láser y que tiene un primer elemento de refracción cónica configurado para crear un haz refractado de cono desde el haz de entrada, el elemento de refracción cónica que comprende un cristal biaxial dopado con iones de tierras raras cortado en la dirección para permitir la refracción cónica, y el cristal que tiene una faceta de entrada, en donde el espejo de salida refleja el haz reflejado de cono a través del primer elemento de refracción cónica, aplicando de esta manera un desplazamiento de fase al haz de refracción cónica y reconstruyendo el haz de entrada, de modo que el haz reconstruido tiene sustancialmente el mismo perfil de haz gaussiano que el haz de entrada, y en donde el láser de bombeo se enfoca en la faceta de entrada del cristal.

Description

DESCRIPCIÓN

Nuevos dispositivos fotónicos basados en la refracción cónica

Introducción

La presente invención se refiere a nuevos dispositivos fotónicos que usan refracción cónica para mejorar la calidad del haz de luz. Esto incluye, pero no se limita a los láseres.

Antecedentes de la invención

En 1832, Hamilton predijo la refracción cónica, concluyendo que, si un haz se propaga a lo largo del eje óptico de un cristal biaxial, emergerá un cono hueco de luz. Poco después, Lloyd observó el cono de luz hueco usando un cristal biaxial natural y luz solar. Los estudios modernos se refieren a la refracción cónica como difracción cónica ya que su descripción teórica requiere la inclusión de efectos de onda, estos términos son sinónimos.

Los efectos y dispositivos ópticos basados en el fenómeno de refracción cónica (CR) son de importancia fundamental y práctica en el campo de la fotónica, ya que la mayoría de las estructuras cristalinas conocidas son ópticamente biaxiales. Sin embargo, hay relativamente pocos estudios disponibles sobre el fenómeno. El interés reciente está impulsado por la disponibilidad de tecnologías modernas de desarrollo, corte y pulido de cristales que han avanzado a una etapa en la que ahora es posible producir cristales con la orientación correcta. La observación del fenómeno de CR se realiza mediante el uso del aparato como se muestra en la Figura 1 que comprende un láser 3, una lente 5 y un cristal de CR ópticamente biaxial 7 que se corta perpendicularmente a uno de sus ejes ópticos. La evolución espacial de un haz gaussiano incidente y su transformación bajo el efecto de CR se muestra en la Figura 1a. El anillo de luz se observa en el plano 19 de Lloyd, que también se denomina plano de imagen focal. Después del plano de Lloyd, el haz progresa a una serie de anillos observados por primera vez por Poggendorff 21, antes de evolucionar a un pico axial observado por primera vez por Raman 23.

Finalmente, el haz vuelve al perfil original en el campo lejano. El plano de Lloyd también es un plano de simetría 25 (Figura 1b). El centro del anillo en el plano de Lloyd se desplaza lateralmente en una cantidad, denotada aquí por C, que depende de la longitud del cristal, d, y de un factor que representa la capacidad del cristal para la refracción cónica (Figura 1a). La dirección de este desplazamiento lateral se puede definir como una propiedad de la orientación del cristal. Un pseudovector, A, también se puede definir empíricamente como perpendicular tanto a la dirección de propagación del haz como a la dirección del desplazamiento lateral que obedece a una regla de la mano derecha. Otra característica está relacionada con el desplazamiento longitudinal del plano de Lloyd. El desplazamiento longitudinal, A en la Figura 1a, está dado por

Aquí n es el índice de refracción del cristal en la dirección de propagación de los fotones.

El documento "Conical refraction: an experimental introduction" por Kalkandjiev T K y otros (Proc. of SPIE, vol. 6994, 25 de abril de 2008) analiza algunas propiedades generales del haz refractado de cono (CR).

El documento WO 2005/109044 analiza el uso de un cuerpo sólido para la refracción cónica.

El documento US 2007/0171432 describe un método para usar las propiedades ópticas de los cristales biaxiales para refractar cónicamente una característica óptica.

El documento "Continuous-wave Raman generation in a diode-pumped Nd3+:KGd(WO4)2 laser" por Demidovich A A y otros (Optics Letters, vol. 30, núm. 13, julio de 2005) describe la generación Raman de onda continua en un sistema de láser de estado sólido compacto bombeado por un diodo láser multimodo.

Resumen de la invención

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un sistema óptico como se define en la Reivindicación adjunta 1.

Preferentemente, el elemento óptico comprende un primer elemento de refracción cónica que crea un haz refractado de cono y reconstruye el haz mediante el uso de un elemento óptico de reconstrucción para aplicar un desplazamiento de fase al haz refractado de cono.

Preferentemente, el primer elemento de refracción cónica crea un haz refractado de cono aplicando un primer pseudovector y el elemento óptico de reconstrucción reconstruye el haz de entrada aplicando al haz refractado de cono un segundo pseudovector de orientación opuesta.

Preferentemente, el segundo pseudovector tiene una orientación sustancialmente opuesta al primer pseudovector. Preferentemente, el segundo pseudovector comprende una pluralidad de pseudovectores cuya suma de orientaciones proporciona el desplazamiento de fase.

Preferentemente, el primer elemento tiene una longitud de trayectoria óptica predeterminada a través de la cual se transmite el haz incidente para crear el haz refractado de cono.

Preferentemente, el elemento óptico de reconstrucción tiene una longitud de trayectoria óptica predeterminada a través de la cual se transmite el haz refractado de cono para crear el haz de reconstrucción.

Preferentemente, el elemento óptico de reconstrucción es un segundo elemento de refracción cónica.

Preferentemente, el elemento óptico de reconstrucción comprende uno o más elementos de refracción cónica adicionales colocados a lo largo de la trayectoria óptica de dicho haz refractado de cono

Preferentemente, el elemento de reconstrucción comprende un reflector y el primer elemento de refracción cónica en donde el reflector refleja el haz cónico reflejado a través del primer elemento de refracción cónica aplicando de esta manera un desplazamiento de fase al haz cónico refractivo y reconstruyendo el haz de entrada.

Preferentemente, la longitud de la trayectoria a través de la cual se aplica un desplazamiento de fase a través del primer elemento de refracción cónica y el elemento óptico de reconstrucción son sustancialmente idénticas.

Preferentemente, el desplazamiento de fase es de 180°.

Preferentemente, la fuente óptica proporciona un haz de fuente coherente.

Preferentemente, la fuente óptica proporciona un haz no coherente.

Preferentemente, el haz está polarizado.

Preferentemente, el haz está polarizado circularmente

Preferentemente, el elemento de refracción cónica comprende un cristal biaxial dopado con iones de tierras raras, cortado en la dirección para permitir la refracción cónica.

Preferentemente, el cristal es un cristal de Tungstato de Gadolinio y de Potasio dopado con Neodimio.

Preferentemente, el espejo de entrada es un espejo cóncavo con alta reflectividad en la longitud de onda láser.

Preferentemente, el espejo de salida es un espejo plano.

Preferentemente, el elemento óptico es un elemento óptico refractivo de cono en cascada.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un medio de ganancia para un láser que tiene un elemento óptico como se describe con referencia al primer aspecto de la invención.

De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona un láser que tiene un medio de ganancia que tiene un elemento óptico como se describe con referencia al primer aspecto de la invención.

Preferentemente, el láser comprende una cavidad que contiene el elemento óptico dispuesto entre un espejo de entrada en un primer extremo de la cavidad y un espejo de salida dispuesto en el segundo extremo de la cavidad en donde, el láser se bombea desde el primer extremo de la cavidad y el espejo de salida refleja el haz a través del elemento óptico con un desplazamiento de fase.

Opcionalmente, el haz tiene polarización lineal.

El medio típico de ganancia de cristal biaxial dopado con iones de tierras raras, corta en la dirección que explota el fenómeno de la CR.

El cristal era de KGW dopado con Nd al 3 % y dimensiones de 3x4x17 mm, cortado para la propagación a lo largo del eje óptico. Las facetas de cristal se revistieron con AR a 1067 nm y 808 nm y se montaron en un soporte de enfriamiento por agua a 18 °C.

En un aspecto de la invención, la invención se refiere a un nuevo láser a granel de estado sólido basado en la ganancia de refracción cónica que ofrece características tales como (a) estabilidad del láser y nuevas reglas de operación (b) salida límite de sub-difracción (c) excelente calidad del haz en un amplio intervalo de alineaciones de cavidades (d) umbral e insensibilidad de rendimiento a la densidad de potencia de bombeo y a la calidad del haz de bombeo (e) insensibilidad a la lente térmica que conduce a una gestión térmica simple.

El término óptico incluye, pero no se limita a, dispositivos, elementos y similares que usan u operan con radiación electromagnética en las regiones visible, infrarroja, ultravioleta del espectro electromagnético u otras partes adicionales del espectro en longitudes de onda más altas o más bajas.

Breve descripción de los dibujos

La presente invención se describirá ahora, a manera de ejemplo solamente, con referencia a los dibujos acompañantes; en los cuales:

Las Figuras 1a y 1b ilustran el efecto conocido de la refracción cónica monocristalina sobre un haz de luz enfocado; La Figura 2 ilustra un ejemplo en donde se produce una refracción cónica en cascada de dos cristales;

La Figura 3 ilustra una segunda modalidad de la presente invención que es un ejemplo de un láser de refracción cónica; La Figura 4 ilustra el rendimiento de un láser de refracción cónica de acuerdo con la presente invención; y

La Figura 5 es un gráfico de la potencia de salida frente a la potencia de bombeo incidente para un conjunto de ejemplos de diámetros modales de bombeo de acuerdo con la presente invención;

La Figura 6 es un gráfico de la eficiencia de pendiente frente al diámetro modal de bombeo para un ejemplo de un láser de CR de acuerdo con la presente invención;

La Figura 7 es un gráfico de la potencia de salida frente a la potencia de bombeo incidente para un ejemplo adicional de la presente invención;

La Figura 8 es un gráfico de la longitud máxima de la cavidad frente al radio de curvatura de un reflector alto usado en una modalidad de la presente invención;

La Figura 9 es un gráfico de la potencia de salida frente a la potencia de bombeo para otro conjunto de ejemplos de diámetros modales de bombeo de acuerdo con la presente invención; y

Las Figuras 10a y 10b son diagramas esquemáticos de un diodo láser y un láser de refracción cónica.

Descripción detallada de los dibujos

La invención se refiere a nuevos sistemas ópticos tales como láseres que se basan en la ganancia de refracción cónica provocada por la aplicación de pseudovectores de diferentes orientaciones a un haz incidente. La presente invención ofrece características tales como (a) estabilidad del láser y nuevas reglas de operación (b) salida de límite de sub difracción (c) excelente calidad del haz en un amplio intervalo de alineaciones de cavidades (d) umbral y rendimiento insensible a la densidad de potencia de bombeo y a la calidad del haz de bombeo (e) insensibilidad a la lente térmica que conduce a una gestión térmica simple.

En el siguiente ejemplo, un esquema en cascada comprende aplicar orientaciones opuestas del pseudovector A a un haz como se muestra en la Figura 2. En el ejemplo en el que se usan un par de cristales orientados de manera opuesta y los cristales están correctamente alineados, las observaciones son sorprendentes: después del primer cristal se ve el anillo de Lloyd, pero después de que el haz atraviesa ambos cristales, el haz observado tenía un perfil de haz idéntico al haz láser gaussiano inicial antes del primer cristal.

La Figura 2 muestra la configuración experimental de refracción cónica en cascada. El sistema óptico 31 comprende un láser 33, un primer cristal de CR 37 y un segundo cristal de CR 33 y un dispositivo acoplado cargado (CCD) 47 colocado a lo largo de un eje óptico. El perfil inicial del haz 35 se muestra junto con el anillo de Lloyd resultante de la transmisión del haz a través de la CR 37. También se muestra el perfil final del haz 49. Los dos cristales de CR tienen una longitud sustancialmente idéntica y están orientados con orientaciones sustancialmente opuestas del pseudovector A. Cuando ambos cristales están en su lugar en el esquema de cascada, después del primer cristal se observa el anillo de Lloyd 41 pero después del segundo cristal en lugar de observar un anillo de Lloyd, el haz final observado 49 tenía un perfil de haz idéntico al haz gaussiano inicial antes del primer cristal. Esta es una evidencia directa de la transformación de un haz anular entre los dos cristales de CR en el haz gaussiano original después del segundo cristal (CR 2).

En este ejemplo, los dos cristales de CR, 37, 43 de 22 mm ± 20 nm de longitud se montaron entre sí con orientaciones opuestas de sus pseudovectores A. La salida colimada y sin modificar de un láser de helio neón con un diámetro de haz de 1,5 mm se pasó a través de ambos cristales. El primer cristal se ubicó a 15 cm del láser y el segundo a 10 cm más. Cada cristal se alineó individualmente para la refracción cónica observando el anillo de Lloyd en un CCD sin óptica de imagen ubicada a 40 cm del láser. Cuando ambos cristales estaban en la trayectoria del haz, la salida final se registró en el CCD y se comparó con el perfil del haz original del láser.

En este ejemplo, se usa un láser para proporcionar un haz incidente coherente. En otros ejemplos similares, se puede usar un haz incidente no coherente.

Además, se pueden usar otras configuraciones de los cristales de CR, por ejemplo, se puede usar un monocristal con un espejo que refleja la luz a través del cristal con un desplazamiento de fase de 180° para recrear el haz original. Se pueden usar más de dos cristales de CR para proporcionar un efecto similar.

La Figura 3 muestra un ejemplo de un láser de refracción cónica de acuerdo con la presente invención. La cavidad láser 51 comprende una bomba 53, una lente 55, un espejo de entrada 57, un cristal de CR 59 y un acoplador de salida 63. El haz de bombeo 54 se muestra junto con una distancia L 61 entre el espejo de entrada 57 y el cristal de CR 59 y el haz de salida 65. El aparato se formó alrededor del medio activo (montado en un soporte metálico refrigerado por agua a 20 °C) mediante el uso del espejo cóncavo 57 (espejo de entrada) con alta reflectividad en la longitud de onda láser y un espejo plano 63 (acoplador de salida) con una transmisión del 3 % a la longitud de onda láser. Se bombeó por el extremo a través del espejo de entrada mediante un diodo láser acoplado de fibra multimodo y no polarizado (diámetro del núcleo de 100 |jm, M2 = 40) a una longitud de onda de 808 nm enfocado en la faceta de entrada del cristal.

HR es el reflector alto cóncavo con un radio de curvatura de 75 mm a través del cual se bombeó ópticamente el medio activo a lo largo del eje de 17 mm. OC es el acoplador de salida plano con una transmisión del 3 % a la longitud de onda láser. En este ejemplo, el haz de bombeo 54 se enfocó en la faceta de entrada del cristal 59. L 61 pudo estar presente mientras el foco del haz de bombeo se mantuvo en la faceta de entrada del cristal. Además, la cavidad se estableció en 50 mm y se dejó sin cambios mientras que el diámetro modal de bombeo se varió entre 235 y 1570 jm . El láser puede ser de onda continua o pulsado (CW).

El diámetro modal de bombeo se varió mediante el uso de un sistema de dos lentes. Para asegurar la alineación para la refracción cónica, el medio activo del cristal de CR se alineó primero con un láser de He-Ne hasta que se observó el anillo de Lloyd en un CCD. A continuación, se ajustó la bomba para que fuera colineal con el haz de helio neón hasta la observación de un anillo de Lloyd en el CCD desde el haz de bombeo. Cuando el láser estaba operando por encima del umbral, los espejos de la cavidad se ajustaron más hasta que la salida del láser también fue colineal con el haz de He-Ne. La calidad del haz de los diferentes láseres del cristal de CR se evaluó acoplando la salida del láser en una fibra monomodo con un diámetro del núcleo de 6 jm mediante el uso de una lente asférica con una distancia focal de 6,2 mm.

La disposición anterior se explica y ejemplifica con más detalle a continuación. Se utilizó un cristal (Nd:KGW) de KGd (WO4)2 dopado con neodimio (Nd3+) cortado para la CR como medio activo en la cavidad de dos espejos (Figura 3). El láser se bombeó en el extremo a través del reflector alto cóncavo mediante el uso de un diodo láser acoplado de fibra multimodo a una longitud de onda de 808 nm. El acoplador de salida plano introduce un desplazamiento de fase al haz láser reflejado de 1067 nm. A medida que el haz reflejado vuelve a pasar a través del cristal de CR, este desplazamiento de fase tiene el mismo efecto que cambiar la orientación del pseudovector del cristal a su valor opuesto.

En el experimento inicial, la separación total del espejo se fijó en 50 mm. El láser proporcionó 3,3 W de potencia de salida a 1067 nm para 5 W de potencia de bombeo incidente a 808 nm, con un umbral láser de 400 mW de potencia de bombeo de entrada. Se midió que la absorción de la bomba de un solo paso en el Nd:KGW era el 98 % de la potencia de bombeo incidente. El ajuste lineal a los valores medidos para la potencia de salida frente a la potencia de bombeo incidente reveló una eficiencia de pendiente óptica a óptica del 74 % (Figura 4). El defecto cuántico del cristal, definido como la proporción de la energía del fotón de bombeo que no se convierte en energía del fotón láser, es de aproximadamente el 24 %. Esto limita la eficiencia máxima teórica alcanzable para este medio de ganancia. Por lo tanto, llegamos a la conclusión de que la eficiencia del láser solo estaba limitada por la muy baja (~ 0,1 %) pérdida de la cavidad que no se transmite a través del acoplador de salida. Se observó una salida única, linealmente polarizada con un perfil de distribución circularmente simétrico con una M 2 < 1 medida (Figura 4). Como prueba adicional de la excelente calidad del haz, pudimos acoplar más del 85 % del haz láser a máxima potencia en una fibra monomodo.

La Figura 4 es un gráfico 71 que representa la potencia de salida medida 75 frente a la potencia de bombeo incidente 73 para dos cavidades láser de diferentes longitudes cuando se varió la separación total del espejo de 50 mm a 80 mm, curvas 77 y 79 respectivamente. El diámetro modal de bombeo se estableció en 400 jm . Ambas configuraciones tienen una eficiencia de pendiente del 74 %. El recuadro es el perfil 3D de la salida del láser 81 de la cavidad de 50 mm a la salida máxima. La eficiencia y el perfil del haz de salida permanecieron constantes, independientemente de la longitud de la cavidad.

Además, la distancia entre el cristal y el espejo de entrada L 61 en la Figura 3 se varió en la cavidad de separación del espejo de 80 mm, desde la faceta de entrada del cristal de ~ 5 mm del espejo de entrada curvo, hasta el otro extremo de la cavidad de ~ 60 mm del espejo de entrada. Siempre que el foco de la bomba se mantuviera en la faceta de entrada del cristal y el láser estuviera correctamente alineado, no se observó variación en el rendimiento del láser en términos de potencia de salida y perfil del haz. Este comportamiento está en marcado contraste con la teoría establecida del láser gaussiano, donde el diámetro del modo fundamental de la cavidad gaussiana varía fuertemente con las diferentes configuraciones de la cavidad.

Cálculos simples que suponen un modo de la cavidad gaussiana muestran que el diámetro modal en el cristal varía de ~ 160 pm a más de 450 pm al cambiar la posición del cristal dentro de la cavidad. Esto, a su vez, debería afectar gravemente a la eficiencia de la salida del láser, variando el máximo teórico del 37 % al 71 %.

La Figura 5 es un gráfico 83 de la potencia de bombeo incidente 85 frente a la potencia de bombeo de salida 87 para varios diámetros modales de bombeo de 235, 400, 800, 1140 y 1570 pm (números de referencia 89, 91, 93, 95 y 97 respectivamente). El mejor rendimiento se obtuvo para los diámetros modales de bombeo de 235 y 400 pm con una eficiencia de pendiente de ~ 74 %. La Figura 6 es un gráfico 101 que traza el diámetro modal de bombeo 103 frente a la eficiencia de pendiente 105. Se grafican los valores para el láser de CR 107, un máximo teórico 109 y una eficiencia máxima gaussiana 111. A medida que el diámetro de bombeo aumenta más allá de 400 pm, la eficiencia disminuye de manera casi lineal. Es evidente que en todos los casos la eficiencia del láser supera la de la eficiencia máxima gaussiana teórica 111. Se evaluó la calidad del haz de los láseres y en todos los casos se observó la M 2 < 1 medida.

Estos resultados que se lograron mediante el uso de un cristal de Nd:KGW ordinario con dimensiones idénticas al Nd:KGW cortado para la CR están de acuerdo con las observaciones. Se logró una potencia de salida máxima de 800 mW con este láser convencional mientras se mantenía una buena calidad del haz cuando el láser estaba completamente optimizado. Por encima de este nivel de potencia de salida, la calidad del haz se degrada rápidamente. Esto contrasta con nuestra observación de los láseres de LC que proporciona una eficiencia de pendiente constante y una calidad del haz excelente independientemente de las configuraciones de la cavidad.

La máxima eficiencia teórica de la pendiente, ns, de un láser se rige por

(2)

donde np es la eficiencia de la bomba, nc es la eficiencia de la cavidad, nt es la eficiencia transversal y nq es la eficiencia cuántica. La potencia de bombeo se midió en la faceta frontal del cristal con una absorción de un solo paso del 98 %, por lo que np = 0,98. La máxima eficiencia cuántica alcanzable con Nd:KGW, nq = 0,757. La eficiencia de la cavidad (nc) se reduce mediante pérdidas en la cavidad que no contribuyen a la potencia de salida, por ejemplo, pérdidas por dispersión y defectos del cristal. Estas pérdidas aumentan con el área de modo creciente (Figura 6, numeral de referencia 109). Está claro que la eficiencia observada solo está limitada por estas pérdidas y la máxima eficiencia cuántica. La eficiencia transversal, que es una medida de la falta de coincidencia entre los modos de bombeo y láser, es de suma importancia en los láseres gaussianos. Sin embargo, no hay dependencia en el caso de los láseres de CR, ya que nt debe ser igual a la unidad para que las eficiencias de pendiente observadas experimentalmente sean físicamente posibles. Por lo tanto, el modo del láser de CR se adapta automáticamente al modo del haz de bombeo y al modo de la cavidad, por lo que las reglas que rigen la operación de los láseres de CR son diferentes.

Las Figuras 7 y 8 muestran los resultados de un láser de Nd:KGW de refracción cónica bombeado por diodos en una configuración simple de dos cavidades de espejo que puede operar más allá del límite de estabilidad de la cavidad gaussiana y producir una excelente calidad del haz. Se presenta una regla de diseño de cavidad simple que predice la longitud máxima de la cavidad que es estable para la operación de este láser y también analiza la calidad del haz de salida.

El cristal era un Nd-KGW al 3 % y de dimensiones 3x4x17mm, cortado para la propagación a lo largo del eje óptico. Las facetas de cristal se revistieron con AR a 1067 nm y 808 nm y se montaron en un soporte de enfriamiento por agua a 18 °C. El cristal se bombeó por el extremo a través del reflector alto cóncavo mediante un diodo láser acoplado de fibra multimodo a 808 nm. La bomba se centró en la faceta de entrada del cristal con un diámetro modal de 200 pm. El haz de bombeo era circularmente simétrico y tenía M2~40. El parámetro confocal para el haz de bombeo dentro del Nd:KGW se calculó para ser de ~2 mm. La cavidad láser se formó mediante el uso de un reflector alto cóncavo y un acoplador de salida plano con una transmisión del 3 %. Se usaron diferentes reflectores altos cóncavos con radio de curvatura R=38, 50, 75 y 100 mm. En cada caso, la distancia entre el reflector alto y la faceta de entrada del cristal se fijó en R/4. Se observó una única salida con perfiles gaussianos casi circularmente simétricos con M2<1,05. La calidad del haz no se vio afectada por la longitud de la cavidad, y se pudo lograr una excelente calidad del haz tanto en la configuración estable como en la inestable sin afectar la potencia de salida.

La Figura 7 es un gráfico 113 que muestra la potencia de salida combinada 117 frente a la potencia de bombeo incidente 115 tanto para una cavidad estable 119 como para una cavidad cerca del borde de estabilidad 121, donde el radio de curvatura del reflector alto cóncavo era de 75 mm. En el caso del resonador estable, la separación total del espejo fue de 47 mm, mientras que en el caso de la cavidad cerca del borde de estabilidad, la separación del espejo fue de 79 mm. Se puede observar que las características de salida fueron casi idénticas en ambos casos, con eficiencias de pendiente de 45 % y 46 % respectivamente. Esta eficiencia de pendiente relativamente baja se debe a la baja transmisión del acoplador de salida disponible en la actualidad.

La Figura 8 es un gráfico 123 que traza la longitud máxima de la cavidad frente al radio de curvatura 125. Esto muestra una potencia de salida y una calidad del haz mejoradas para un láser que funcionaba más allá del límite de estabilidad gaussiano clásico.

Otro ejemplo de la presente invención se presenta en relación con la Figura 9. Como en el ejemplo descrito en relación con las Figuras 7 y 8, el cristal era un KGW dopado con Nd al 3 % y dimensiones de 3x4x17 mm, cortado para la propagación a lo largo del eje óptico. Las facetas de cristal se revistieron con AR a 1067 nm y 808 nm y se montaron en un soporte de enfriamiento por agua a 18 °C. El cristal se bombeó por el extremo a través del reflector alto cóncavo con un radio de curvatura de 75 mm, mediante un diodo láser acoplado de fibra multimodo a 808 nm. Un acoplador de salida plano al 3 % formó el segundo espejo de la cavidad. La separación del espejo se fijó en 47 mm y la distancia desde el reflector alto curvo hasta la faceta de entrada del cristal se estableció en 18 mm. La bomba se centró en la faceta de entrada del cristal y se varió con diámetros modales de 100, 200, 300 y 400 pm. El haz de la bomba era circularmente simétrico y altamente multimodo (M2> 40). La Figura 9 muestra la potencia de salida 137 frente a la potencia de bombeo incidente 135 para los diámetros modales de bombeo 200, 300, 100 y 400 micrómetros (curvas 139, 141, 143 y 145 respectivamente). El haz de salida se caracterizó por tener un perfil gaussiano simétrico circularmente con M2<1,05 en todos los casos. Se puede ver que las características de salida fueron casi idénticas en todos los casos, aumentando las eficiencias de pendiente de 40 a 48 % al aumentar el tamaño del punto de bombeo. Esta eficiencia de pendiente relativamente baja se debe a la baja transmisión del acoplador de salida disponible en la actualidad. Sorprendentemente, el umbral era casi independiente del diámetro de bombeo. Esto está en marcado contraste con la teoría establecida del láser de estado sólido bombeado por diodos, donde el umbral debería depender en gran medida del tamaño de la bomba, ya que el modo fundamental de la cavidad gaussiana permanece sin cambios entre todos los láseres.

Los láseres basados en medios activos de elementos de refracción cónica proporcionan simplicidad y flexibilidad en el diseño del resonador en términos de adaptación de modo, gestión térmica y requisitos de calidad del haz de bombeo. Los resultados presentados allanan una ruta alternativa hacia el sellado de potencia y brillo en láseres a granel de estado sólido con bombeo final.

Lo anterior demuestra un caso único de refracción cónica en cascada, que forma la base de los láseres de CR presentados. Las observaciones son de suma importancia en el campo de la fotónica, especialmente porque la refracción cónica se ha considerado tradicionalmente como "poco más que un fenómeno óptico curioso que no tenía una aplicación concebible".

Los siguientes son ejemplos del uso de un dispositivo de acuerdo con la presente invención.

Biofotónica

Está ampliamente aceptado que las aplicaciones biofotónicas de los láseres no se han optimizado, y que las aplicaciones simplemente usan las fuentes disponibles sin considerar el tipo de láser óptimo. Esto también es válido para la microdisección láser. Un requisito son los pulsos ultracortos con duraciones de subpicosegundos con una potencia máxima de más de 1x106 W para la microdisección 3D y la nanocirugía. También se sabe que este intervalo de potencia está más allá del umbral dañino para los láseres de fibra. Este nivel de potencia no se puede lograr en una configuración compacta sin amplificación adicional. Sin embargo, el láser de refracción cónica puede tener la capacidad de producir tales parámetros en una configuración muy compacta.

Pinzas ópticas

La presente invención también se puede usar como un sistema láser de CW de alta potencia y bajo coste para pinzas ópticas.

Nuevas fuentes de láser

Elementos de CR como medios de ganancia en láseres a granel de DPSS (estado sólido bombeado por diodos).

Un láser basado en un medio de ganancia de cristal típico biaxial dopado con iones de tierras raras, cortado en la dirección que explota el fenómeno de CR, proporciona una nueva generación de láseres en bloque de DPSS autoadaptables y ultraeficientes capaces de cubrir un intervalo espectral muy amplio.

Se ha demostrado que la eficiencia de estos láseres solo está limitada por el límite máximo fundamental de eficiencia cuántica alcanzable (Figura 6). Por lo tanto, la construcción de fuentes de láser de CR puede proporcionar una potencia más alta y eficiente, una mejor calidad del haz, una mayor confiabilidad y un mantenimiento reducido. La compacidad, la simplicidad de diseño y fabricación permitirán, en consecuencia, un coste más bajo en comparación con los láseres de rendimiento equivalente disponibles actualmente en el mercado.

La siguiente tabla muestra el rendimiento comparativo de los láseres de CR y la tecnología existente.

El estado de la técnica industrial para láseres de alta potencia es actualmente un láser de disco delgado de 25 kW con una calidad casi limitada de difracción. Como las altas intensidades en las fibras limitan la potencia pico, el concepto de disco es más adecuado para potencias pico altas que el de fibra. Sin embargo, el estado de la técnica industrial también sería usar fibra como la mejor calidad de haz existente. Los láseres de CR ofrecen la capacidad de combinar estos dos niveles de rendimiento de vanguardia en potencia y calidad mientras compiten con los diodos en cuanto a costo, eficiencia, mantenimiento y confiabilidad.

Nuevo estado de la técnica en la eficiencia láser

La eficiencia de un oscilador de CR es sobresaliente. Hoy en día, los láseres de fibra y disco de alta potencia comerciales exhiben eficiencias de enchufe de pared del 10 al 15 %. Probablemente vinculado a la calidad excepcional del haz producido y al comportamiento no gaussiano del haz generado por la CR, el láser de CR tiene el potencial de alcanzar eficiencias mucho mayores.

Un láser ultraeficiente de Nd: KGW en una simple cavidad de dos espejos de acuerdo con la invención, puede producir 3,4 W de potencia de salida en la región de espectros de un micrómetro para solo 5 W de potencia de bombeo incidente de una fuente de diodo multimodo con una mala calidad del haz (M2 ~ 40) en el infrarrojo cercano. La eficiencia óptica a óptica resultante del láser fue de ~ 70 % (eficiencia de pendiente del 74 %). Además, la eficiencia del láser estaba limitada solo por el calentamiento del defecto cuántico en el cristal, que es el límite fundamental para los cristales dopados con Nd. Se examinó la salida del láser para que fuera de la más alta calidad (M2 ~ 1 ) a pesar de la mala calidad del haz de la fuente de bombeo. También se ha logrado una eficiencia de acoplamiento del 85 % de la salida del láser en una fibra monomodo.

Se prevé que mediante el uso de cristales de CR con un nivel de defecto cuántico más bajo (como el cristal dopado con Yb) se logrará al menos una duplicación de la eficiencia del estado de la técnica existente.

Nuevo estado de la técnica en simplicidad, compacidad y costo del láser de estado sólido

Las Figuras 10a y 10b ilustran la poca complejidad en un láser de CR y la calidad mejorada del haz. Se espera que esto se traduzca directamente en una fabricación más rápida, en dispositivos más compactos con un costo significativamente menor.

a) Diagrama esquemático simplificado de un láser típico a granel de estado sólido 147 (basado en Nd: YAG) para la operación CW de alta potencia y alto brillo a 1 micrómetro. El resonador consta de 4 espejos (tres reflectores altos HR 151 y un acoplador O/P 153) y el medio activo 155 se bombea desde ambos extremos mediante dos barras de diodos para compensar la mala calidad del haz de las fuentes de bombeo. La carga térmica en el material limita una mayor escala de brillo. Cualquier intento de mejorar la calidad del haz del haz de bombeo, por ejemplo, mediante esquemas híbridos de fibra a granel, agrega más complejidad a la configuración.

b) Un diagrama típico para un láser a granel de estado sólido (basado en Nd: KGW) basado en la tecnología de cristal de CR para la operación de CW de alta potencia y alto brillo. El resonador consta de solo dos espejos (un reflector alto HR 159 y un acoplador 165 de O/P al 3 %) y el medio activo 163 bombea solo una barra de diodos 161. La gestión térmica no es un problema en este caso, ya que se puede lograr un bombeo uniforme independientemente de la calidad del haz de bombeo, todo gracias a la tecnología de cristal de CR.

Manipulación óptica

El haz en forma de cono único que emerge después del elemento de CR puede usarse como pinzas ópticas con propiedades muy especiales. La sección transversal del haz en forma de rosquilla se puede usar para resolver las dificultades en la clasificación de células individuales experimentadas con la tecnología existente al permitir que los objetos se rodeen y se muevan de forma independiente dentro de su entorno.

Pueden incorporarse aquí mejoras y modificaciones sin desviarse del alcance de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES

1 Un láser que incluye un sistema óptico, el sistema óptico que comprende:

un espejo de entrada cóncavo y un espejo de salida plano que definen juntos una cavidad láser;

una fuente óptica de entrada, que comprende un láser de bombeo, para proyectar un haz de entrada a lo largo de un eje óptico en la cavidad láser, el haz de entrada que tiene un perfil de haz gaussiano; y

un elemento óptico ubicado dentro de la cavidad láser y que tiene un primer elemento de refracción cónica configurado para crear un haz refractado de cono desde el haz de entrada, el elemento de refracción cónica que comprende un cristal biaxial dopado con iones de tierras raras cortado en la dirección para permitir la refracción cónica, y el cristal que tiene una faceta de entrada,

en donde el espejo de salida refleja el haz reflejado de cono a través del primer elemento de refracción cónica, aplicando de esta manera un desplazamiento de fase al haz de refracción cónica y reconstruyendo el haz de entrada, de modo que el haz reconstruido tiene sustancialmente el mismo perfil de haz gaussiano que el haz de entrada, y

en donde el láser de bombeo se enfoca en la faceta de entrada del cristal.
2 Un láser de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el desplazamiento de fase es de 180°.
3 Un láser de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde la fuente óptica proporciona un haz de fuente coherente.
4. Un láser de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, en donde la fuente óptica proporciona un haz no coherente.
5. Un láser de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el haz está polarizado.
6. Un láser de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el haz está polarizado circularmente.
7. Un láser de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en donde el cristal es un cristal de Tungstato de Gadolinio y de Potasio dopado con Neodimio.