ES2941672T3

ES2941672T3 - Láser Raman en anillo monomodo longitudinal

Info

Publication number: ES2941672T3
Application number: ES17890672T
Authority: ES
Inventors: David Spence; Ondrej Kitzler; Jipeng Lin; Richard Mildren; Helen Pask; Graeme Malcolm; Nils Hempler; Stephen Webster
Original assignee: Macquarie University
Current assignee: Macquarie University
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2023-05-24
Anticipated expiration: 2037-12-22
Also published as: EP3566268A4; CA3048535C; US20210075182A1; EP3566268B1; US11322905B2; JP2020504333A; EP3566268A1; CA3048535A1; WO2018126293A1; JP7175274B2

Abstract

Un láser Raman de anillo de modo longitudinal único que incluye: una fuente de bomba que emite una potencia de luz de bomba, acoplada resonantemente a un primer resonador de anillo; un actuador piezoeléctrico y de medición óptica para estabilizar el acoplamiento resonante de la potencia luminosa de la bomba a un primer resonador anular; un primer resonador de anillo que incluye un medio de ganancia Raman, en el que el medio de ganancia Raman recibe la potencia de la luz de bombeo y se somete a láser Raman generando potencia Stokes resonada en la longitud de onda de salida Stokes correspondiente; actuando el primer resonador de anillo como un bucle de retroalimentación para la potencia de la luz de la bomba y la potencia de Stokes resonada y emitiendo una parte de la potencia de Stokes como la salida del láser. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Láser Raman en anillo monomodo longitudinal

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a estructuras de láser Raman en anillo y, en particular, da a conocer un láser Raman en anillo monomodo longitudinal.

REFERENCIAS

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27(14): págs. 1226-1228.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Ninguna descripción de la técnica anterior a lo largo de la memoria descriptiva deberá considerarse como una admisión de que dicha técnica es ampliamente conocida o forma parte de un conocimiento general común en la técnica.

Los láseres monomodo longitudinal (SLM, single longitudinal mode) de onda continua (cw, continuous-wave) son una herramienta importante para aplicaciones que explotan las interacciones luz-materia. Por ejemplo, se requieren láseres SLM sintonizables en espectroscopía de absorción para resolver características de absorción estrechas de fluidos [1] y para enfriamiento atómico [2]. Sin embargo, las tecnologías láser maduras que utilizan medios de ganancia por inversión cubren solamente una parte limitada del espectro óptico. Por lo tanto, es necesaria una conversión de frecuencia no lineal para alcanzar longitudes de onda fuera de este rango.

La conversión no lineal de láseres cw es un desafío debido a la baja potencia de pico de la radiación. El umbral de formación de láser de los convertidores que utilizan no linealidad de segundo orden, tales como osciladores paramétricos ópticos, se reduce a menudo haciendo resonar dos o las tres ondas interactuantes [3]. Una mejora de la potencia de bombeo en una cavidad resonante externa de alta afinación se aplicó satisfactoriamente para conversión de armónicos de segundo orden [4] y generación paramétrica [5].

En los láseres Raman, que utilizan un proceso de conversión no lineal de tercer orden, se pueden obtener umbrales bajos a moderados en láseres de fibra Raman y en fibras de núcleo hueco rellenas de gas, debido a la larga longitud de interacción [6] y [7], respectivamente, o en resonadores intracavidad o mejorados por bombeo [8, 9]. La mayor parte funcionan en láseres Raman cristalinos cw utilizados en medios Raman en el interior de la cavidad de un láser convencional de estado sólido (ver, por ejemplo, [8, 10, 11]).

El funcionamiento SLM se puede conseguir estrechando las anchuras de las líneas de ganancia Raman y de bombeo bajo enfriamiento criogénico [12], o introduciendo etalones o filtros birrefringentes en el resonador [13]. Asimismo, se han explorado [14] configuraciones de cavidades externas, si bien solamente el diamante sintético es capaz de convertir eficientemente potencias sustanciales [15]. En diamante, se ha observado un funcionamiento SLM de hasta 3,5 W de potencia de salida [16], y se esperan potencias superiores para disposiciones de cavidades estabilizadas activamente [17].

Hasta la fecha, la mejora resonante del láser de bombeo en una cavidad Raman externa se ha limitado principalmente a láseres Raman de gas, que utilizan H²y D²[9, 18, 19]. La emisión SLM se garantizó utilizando una cavidad con un rango espectral libre (FSR, free spectral range) de 2 GHz, mayor que la anchura de la línea de ganancia Raman (0,5-1 GHz). La mayor potencia de salida comunicada fue de 300 mW utilizando deuterio [20]. El rendimiento de estos sistemas de gas está limitado principalmente por efectos térmicos [19].

Se utilizó asimismo mejora resonante débil en el primer láser Raman de silicio SLM cw [21]. La utilización simultánea de una guía de ondas para confinar campos de bombeo y de Stokes sobre largas longitudes de interacción, polarización inversa a través de la estructura para mitigar la absorción de dos fotones debida a portadores libres, y mejora resonante del bombeo en un factor de 2 redujeron el umbral del bombeo por debajo de 200 mW [21].

La Patente CN 104600522 da a conocer un dispositivo láser en el ultravioleta profundo.

La Patente WO 2015/077823 da a conocer un sistema para generar una segunda luz de Stokes de Raman para una luz fuente.

CARACTERÍSTICAS DE LA INVENCIÓN

Un objetivo de la invención es dar a conocer un láser Raman mejorado, según se da a conocer en la reivindicación independiente 1. Se muestran realizaciones preferentes de la invención en las reivindicaciones dependientes.

Según un primer aspecto de la presente invención, se da a conocer un láser Raman en anillo monomodo longitudinal que incluye: una fuente de bombeo que entrega una potencia lumínica de bombeo, adaptada en modo y acoplada de manera resonante a un primer resonador de anillo, un circuito óptico estabilizador para acoplar de manera resonante la potencia lumínica de bombeo a un primer resonador de anillo, que incluye un accionador piezoeléctrico para estabilizar el acoplamiento resonante; un primer resonador de anillo que incluye un medio de ganancia Raman, en el que el medio de ganancia Raman recibe la potencia lumínica de bombeo y se somete a emisión de láser Raman que genera potencia de Stokes resonada, a una correspondiente longitud de onda de Stokes; actuando el primer resonador de anillo como un bucle de retroalimentación para la potencia lumínica de bombeo y la potencia de Stokes, y emitiendo una parte de la potencia de Stokes como salida del láser.

El láser incluye, además, un aislante unidireccional para hacer que la potencia de Stokes se propague en un sentido dentro del primer resonador de anillo. El aislante unidireccional incluye un elemento parcialmente reflectante, o un elemento con no linealidad de segundo orden para proporcionar mezcla de suma de frecuencias de la potencia lumínica de bombeo con un campo bidireccional generado, para forzar una oscilación unidireccional.

El primer resonador de anillo puede comprender una cavidad en forma de pajarita que tiene una serie de espejos curvos que enfocan la potencia lumínica de bombeo a una sección transversal elíptica o circular dentro del medio de emisión de láser Raman. El medio de ganancia Raman puede comprender un cristal de diamante de baja birrefringencia, desarrollado con bajo contenido en nitrógeno. El cristal de diamante se puede cortar en un ángulo de Brewsters para la propagación de luz a lo largo de una dirección [110] y la polarización a lo largo de un eje [111]. El sistema puede incluir, preferentemente, una serie de espejos dicroicos que tienen una alta selectividad, a la longitud de onda de Stokes, para aislar la potencia de salida de Stokes procedente de la fuente de bombeo.

El algunas realizaciones, el espejo parcialmente reflectante puede comprender un espejo retrorreflectante. En algunas realizaciones, el aislante unidireccional comprende un aislante óptico no recíproco. El aislante unidireccional se puede crear como resultado de una pérdida paramétrica debida a la mezcla de suma de frecuencias de la potencia lumínica de bombeo con una potencia de Stokes bidireccional generada. La potencia lumínica de bombeo puede ser mezclada en suma de frecuencias con la potencia de Stokes de la emisión de láser Raman. La mezcla de suma de frecuencias puede ser proporcionada por un cristal de BBO.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

A continuación se describirán realizaciones de la invención, solamente a modo de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 muestra una disposición esquemática de una realización.

La figura 2 muestra un gráfico de la potencia de salida y la eficiencia de conversión combinadas del DRL en funcionamiento libre.

La figura 3 muestra un gráfico del comportamiento temporal de un DRL en funcionamiento libre que muestra competición de modos de los campos de Stokes generados hacia delante y hacia atrás.

La figura 4 muestra un gráfico de un escaneo de Fabry-Perot sobre varios rangos espectrales libres, que muestra el tránsito del DRL de funcionamiento en modo simple a modo múltiple.

La figura 5 muestra la potencia de salida unidireccional y la eficiencia del DRL utilizando un espejo parcialmente reflectante y mezcla de suma de frecuencias en BBO.

La figura 6 muestra el comportamiento temporal de un DRL unidireccional utilizando un espejo de retroalimentación. El recuadro muestra el funcionamiento en modo simple sobre decenas de rangos espectrales libres para un Fabry-Perot de escaneo.

La figura 7 muestra 70, un gráfico de la salida de Stokes prevista frente a la potencia de entrada de bombeo, de una realización.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

En las realizaciones preferentes, se da a conocer un láser Raman de diamante (DRL, diamond Raman laser) de anillo bombeado de manera resonante SLM. Este proporciona una plataforma que combina el bajo umbral de los dispositivos bombeados de manera resonante y las excelentes posibilidades de escalamiento de potencia de los DRL de cavidad externa. Además, se dan a conocer dos técnicas para conseguir oscilación de Stokes unidireccional.

Las realizaciones dan a conocer una manera eficiente y robusta de extender el alcance de las longitudes de onda de las fuentes de láser SLM convencionales.

Pasando inicialmente a la figura 1, se muestra una realización 10. La codificación utilizada puede incluir: HR - espejo de alta reflectividad, PR - espejo de reflectividad parcial, IC/OC - acoplador de entrada/salida, 1 % de transmisión a 720-960 nm, DM - espejo dicroico, HR en Stokes, HTen bombeo, BS - muestreador de haz sin revestir, BM -bombeo de haz, A/2 - placa de media onda, A/4 - placa de cuarto de onda.

Inicialmente, un láser de bombeo 11 bombea el sistema. El láser de bombeo fue un láser de Ti:zafiro cw sintonizable (725-1050 nm) SLM comercial (SolsTiS, disponible en la firma M Squared lasers Ltd) con potencia de salida máxima de 5 W a 790 nm. El bombeo se adaptó en modo 12 a un resonador 14 de anillo que se bloqueó en longitud a la longitud de onda del láser de bombeo utilizando el método de Hansch-Couillaud [22] para controlar un accionador piezoeléctrico que controla la posición de un espejo de cavidad. El anillo 14 comprende una cavidad en forma de pajarita con dos espejos curvos 16, 17 de 50 pm de radio, creando una cintura elíptica en un cristal de diamante 15 con radios de 35 pm y 85 pm en las direcciones vertical y horizontal, respectivamente. Un acoplador 18 de entrada de anillo fue transmisivo al 1 % en el rango de 700-1080 nm y, por lo tanto, funcionó asimismo como un acoplador de salida para la radiación de Stokes generada. Todos los demás espejos fueron altamente reflectantes para longitudes de onda tanto de bombeo como de Stokes. El medio de ganancia Raman 15 fue un solo cristal con crecimiento CVD con dimensiones de 5x2x5 mm3 (muestra de baja birrefringencia y bajo contenido en nitrógeno, Element Six), cortado en el ángulo de Brewster para propagación a lo largo de una dirección [110] y polarización a lo largo de una dirección [111] para obtener la máxima ganancia [23].

Se utilizaron espejos dicroicos (DM, dichroic mirrors) 20, 21 con alta reflectividad a la longitud de onda de Stokes y transmisivos a la longitud de onda de bombeo, para impedir que la salida de Stokes se propagase de retorno al láser de bombeo, y para separar el Stokes generado hacia delante respecto del bombeo. Para forzar una oscilación unidireccional, se introdujo un espejo parcialmente reflectante 24 (PR, partially reflective) (reflectividad R = 87 % a 700-1080 nm) para retrorreflejar uno de los haces de Stokes de salida, o bien se introdujo un cristal BBO 22 cerca del cristal de diamante.

El láser se caracterizó primero sin BBO 22 o espejo retrorreflectante 24. Tal como se muestra en la figura 2, para una bombeo de 790 nm 11, la potencia de salida de Stokes total de 883 nm 32 del DRL bloqueado en frecuencia de funcionamiento libre aumentó con una pendiente lineal del 33 % hasta 1 W para bombeo a 5 W, momento en el que la eficiencia de conversión alcanzó el 22 % 31.

El umbral del láser fue de 1,8 W de la potencia de bombeo incidente. Se obtuvieron eficiencias y potencias de salida similares cuando se bombeó a otras longitudes de onda accesibles a partir del láser SolsTiS. Había potencia de salida normalmente significativa en los sentidos tanto hacia delante como hacia atrás.

La figura 3 muestra la notable competición entre los sentidos hacia delante y hacia atrás 41, 42, siendo la potencia de salida total bastante estable.

La distribución entre salida hacia delante y hacia atrás pudo ser desplazada a favor de un sentido mediante ajustes ligeros de la cavidad. El espectro de Stokes comprendió a menudo sólo un modo longitudinal en cada sentido, verificado por un interferómetro de Fabry-Perot (FPI, Fabry-Perot interferometer) con FSR de 1,5 GHz. Sin embargo, tal como se muestra en la figura 4, inestabilidades debidas a competición de modos provocaron saltos de modo y funcionamiento multimodo ocasionales.

El rendimiento global del DRL doblemente resonante en funcionamiento libre fue muy estable. El hecho de que la potencia generada se pudiera dividir en ambos sentidos corrobora la hipótesis de igualdad de ganancia Raman hacia delante y hacia atrás en el diamante.

Para obtener un funcionamiento unidireccional, la simetría se puede romper mediante retrorreflexión de la salida de Stokes desde un sentido, de vuelta al campo propagándose en sentido contrario. Esto puede incluir reinyectar el modo propagándose hacia atrás con respecto al campo de bombeo. Entonces, el modo generado hacia delante se amplifica en detrimento de la oscilación hacia atrás, que debe contener exactamente la potencia suficiente para perturbar el equilibrio de la ganancia. El campo retrorreflejado determina la fase de la onda dispersada hacia delante, de manera similar a los láseres de inversión [24].

Se introdujo un retrorreflector parcialmente reflectante (R = 87 %) 24 (figura 1) en el haz propagándose hacia atrás. Virtualmente, toda la potencia generada estaba ahora en el campo hacia delante, con la potencia de salida unidireccional mostrada en la figura 5. El umbral fue el mismo que para el funcionamiento bidireccional y, a plena potencia de bombeo, la relación de potencia de oscilación hacia atrás/hacia delante se midió en torno al 4 %. Para investigar cuánta retroalimentación se necesitaba para obtener la unidireccionalidad, el PR fue sustituido por un muestreador de haz (BS, beam sampler) sin revestir. Aunque el BS proporcionó solamente una reflexión de Fresnel del 4 %, la relación de potencia aumentó solamente en torno al 6 %. Este elemento retrorreflectante podría ser cualquier elemento que refleje hacia atrás una parte del haz, incluyendo retrorreflectores selectivos en frecuencia, tales como rejillas de volumen de Bragg.

Un segundo procedimiento para conseguir unidireccionalidad fue introducir una pérdida dependiente de la dirección, normalmente en forma de un aislante óptico no recíproco [25]. Los aislantes ópticos de Faraday comunes son algo disipativos y, asimismo, sensibles a la longitud de onda y, por lo tanto, no ideales para cavidades de alta afinación que resuenan en dos longitudes de onda. Otro enfoque es explotar la pérdida paramétrica debida a la mezcla de suma de frecuencias (SFM, sum frequency mixing) de un haz de bombeo unidireccional, con el campo bidireccional generado. La SFM introduce pérdidas al campo propagándose conjuntamente con el bombeo, y no al campo de propagación contraria. Por lo tanto, el láser de anillo puede funcionar estrictamente en el sentido contrario de propagación. En contraste con [26], donde un haz de bombeo de paso simple interactuó con un campo fundamental resonado, en el ejemplo de los inventores, existe un haz de bombeo resonado unidireccional con mezclas de frecuencia con el campo de Stokes bidireccional. El haz de bombeo resonado tiene como resultado un efecto mucho más fuerte y más práctico.

Se insertó un cristal BBO 22 después del diamante (ver figura 1) para introducir SFM de las ondas de bombeo y del ^{Stokes generado hacia delante. El BBO estaba recubierto con}A^{r a 930-1062 nm, con 4x4x3 mm3 de tamaño y}cortado a © = 24° para adaptación en fase de la mezcla de suma de frecuencias. Debido a la pérdida introducida por SFM, el Stokes generado hacia delante se extinguió casi por completo, estando la relación de potencia de oscilación hacia delante/hacia atrás estimada por debajo del 0,5 %. La potencia de salida para esta disposición fue inferior y se muestra en la figura 5. La pérdida pasiva adicional debida a dispersión y reflexiones residuales desde el BBO redujo la salida útil de Stokes e inhibió asimismo la mejora del bombeo. Por lo tanto, el umbral de emisión de láser aumentó a 3 W y la eficiencia de la pendiente se redujo al 28 %. La potencia de salida máxima generada hacia atrás llegó a 0,45 W. Un cristal BBO con corte Brewster puede reducir las pérdidas parásitas comparado con el actual cristal recubierto por AR.

Para ambos láseres unidireccionales se consiguió un funcionamiento estable en modo simple, tal como se muestra en la figura 6. Aunque la ganancia Raman en el diamante fue muy amplia (30 GHz) comparada con la separación de modos longitudinales del resonador de anillo (1,1 GHz), solamente osciló un monomodo longitudinal en la cavidad (ver el recuadro de la figura 6). Esto contrasta con las cavidades de onda estacionaria sin estabilización activa que han sido investigadas anteriormente [17]. Se considera que la retroalimentación activa de la longitud de la cavidad juega un papel importante en el mantenimiento del modo intracavidad aislado de vibraciones externas y efectos térmicos en el cristal [17], que pueden conducir a funcionamiento multimodo.

En la bibliografía, se desaconseja la utilización del procedimiento de reinyección para la consecución de funcionamiento unidireccional de láseres de anillo en láseres de inversión SLM. El funcionamiento bidireccional residual inevitable de este procedimiento puede provocar quemado espacial de huecos, que puede impedir un funcionamiento estable en modo simple [25]. En cambio, se dispone la utilización de aislantes ópticos en láseres de inversión SLM, a pesar de la complejidad y pérdidas adicionales que estos introducen. Dado que la dispersión Raman estimulada es una interacción fotón-fotón sin almacenamiento de energía en el medio activo, el quemado espacial de huecos está ausente en los láseres Raman, permitiendo que se utilice satisfactoriamente, en este caso, un procedimiento de reinyección más simple.

Como conclusión, se construyó un DRL de anillo monomodo longitudinal que genera 1 W de potencia de salida de Stokes con pendiente del 33 % y eficiencia de conversión del 22 %. Se han dado a conocer dos procedimientos de generación unidireccional en el DRL de anillo. Implementar una pérdida paramétrica para un sentido mediante conversión no lineal adaptada en fase y proporcionar una semilla para un sentido mediante reflejar el otro de vuelta al resonador. Ambas técnicas tienen como resultado una salida SLM unidireccional estable. Con el espejo retrorreflectante, la relación de potencia en los sentidos suprimido y amplificado fue de aproximadamente el 5 %. Por otra parte, utilizar una pérdida paramétrica redujo la relación por debajo del 0,5 %; sin embargo, la pérdida por inserción asociada con el BBO afectó negativamente a la potencia de salida y la eficiencia.

El diseño de DRL SLM presentado tiene la capacidad de extender el rango de longitudes de onda del láser Ti:zafiro de bombeo, desde su máximo actual de 1,050 pm hasta 1,220 pm. Esta extensión podría incrementarse adicionalmente más allá de 1,45 pm mediante repetir en cascada el proceso Raman dentro de la misma cavidad. En principio, este concepto se puede combinar con duplicación de frecuencias resonantes para generar cualquier longitud de onda entre 200 nm y 1450 nm.

Conversión Raman resonante

Sin desear limitarse a la teoría, se llevó a cabo un análisis teórico detallado de la conversión Raman resonante. Para una cavidad de mejora de anillo con una reflectividad especular de entrada R y una ganancia de ida y vuelta G a la longitud de onda de bombeo (que puede ser menor de uno para una pérdida), el factor de mejora resonante intracavidad de la potencia incidente se proporciona en [25], como:

)0,5 ^f

G°’5j (1)

La fracción del haz incidente rechazado desde la cavidad es

No hay haz rechazado para R = G. Esto implica que cuando las pérdidas de cavidad son iguales a la transmisión especular de entrada; hay adaptación de impedancias.

Considerando una cavidad con un área de modo A, ganancia Raman g, longitud del cristal l, eficiencia cuántica Raman n y pérdidas pasivas de cavidad L, la potencia de bombeo incidente es PFout, y por lo tanto la potencia de bombeo intracavidad es PFin = aPFout. En régimen estacionario, la ganancia de Stokes tiene que ser igual a la pérdida de Stokes, por lo que:

o si el parámetro confocal b no satisface b » 1 [27]:

Suponiendo b » 1, esto se puede reordenar para obtener:

(1 - R L)A

a = ( 2)

glP. Fout

De lo anterior, se tiene también una obtención de a a partir de R y G. La ganancia fundamental G se puede reescribir como “1 - pérdida pasiva - pérdida de Raman”:

donde PSin es la potencia de Stokes intracavidad, relacionada con la potencia de Stokes de salida por

Psout = (1 " R)Psin (4)

Esta potencia de Stokes puede ser dividida arbitrariamente entre dos direcciones en el anillo sin cambiar las ecuaciones y, por lo tanto, se puede predecir el funcionamiento unidireccional arbitrario de esta geometría en anillo simple.

Igualando (1) y (2), y sustituyendo en (3) y (4), se obtiene la potencia de salida de Stokes de régimen estacionario PSout como una función de la potencia de entrada de bombeo PFout. La solución analítica se puede simular. Para una longitud de onda de bombeo de 800 nm desplazándose a 900 nm, utilizando un diamante con corte de Brewster de 5 mm, un punto de 35 micras (expandido por un factor de índice de refracción n en el plano tangencial), pérdidas pasivas del 0,75 % y una transmisión especular de entrada y salida del 1 %, la figura 7 muestra 70, un gráfico de la salida de Stokes prevista frente a la curva de entrada de bombeo.

Igual que con los láseres no mejorados, hay un compromiso entre umbral bajo y eficiencia de pendiente alta. La característica de transferencia 71 es notablemente curva, a diferencia de un láser no mejorado. Este gráfico muestra un acuerdo razonable con el umbral de la demostración experimental, siendo la potencia de salida máxima experimental un poco menor.

Análisis y realizaciones alternativas

La utilización eficaz de usar un simple espejo retrorreflectante para conseguir funcionamiento SLM estable es sorprendente. Aunque los espejos retrorreflectantes se utilizan normalmente para conseguir una salida unidireccional de láseres multimodo [28], es sabido que este procedimiento no es adecuado para conseguir funcionamiento SLM. Esto se debe al hecho de que el procedimiento no consigue funcionamiento unidireccional puro y, en láseres convencionales, la pulsación residual entre los campos propagándose hacia atrás conduce al quemado espacial de huecos lo que, a su vez, impide el funcionamiento SLM [25]. Se considera que el éxito inesperado, en el caso del láser Raman de anillo, procede de la ausencia de quemado espacial de huecos en los láseres Raman. Esto permite un funcionamiento s Lm estable utilizando el espejo retrorreflectante a pesar de no conseguir un funcionamiento unidireccional puro [16].

Se descubrió que utilizar mezcla de suma de frecuencias intracavidad como un procedimiento alternativo para conseguir funcionamiento unidireccional consigue asimismo un funcionamiento unidireccional mucho más puro. Esto puede ser ventajoso para una mayor estabilidad de funcionamiento. La utilización de SFM para fabricar láseres unidireccionales se ha demostrado, antes de utilizar un láser auxiliar [26]. En el presente caso, al utilizar el campo fundamental resonado para mezclarlo con el primer campo de Stokes, se ha conseguido un efecto mucho más fuerte, requiriéndose por lo tanto un cristal SFM mucho más delgado. El SFM puede utilizarse asimismo en un láser Raman en cascada, garantizando la mezcla de órdenes de Stokes adyacentes que cada nuevo campo de Stokes se propaga en sentido inverso con respecto a su campo de Stokes de origen.

El SFM puede utilizarse, asimismo, en el interior de la cavidad de láseres Raman de anillo bombeados de manera no resonante. El SFM del bombeo no resonado con el campo de Stokes resonado puede garantizar un funcionamiento unidireccional del láser de Stokes.

El control de efectos térmicos es, asimismo, importante en la realización, por dos razones. En primer lugar, la dispersión térmica y la aberración en el medio de Raman introducen pérdidas de cavidad para los campos de Stokes y fundamental, y pueden inhibir el rendimiento del láser. Se identifican los efectos térmicos como un factor limitante clave en láseres de gas bombeados con resonancia [20], [29], [30].

En segundo lugar, los cambios térmicos en el medio Raman pueden alterar la longitud del camino óptico a través del medio, y esto puede afectar al bloqueo de la cavidad. En la utilización de KGW, se ha descubierto que es difícil conseguir y mantener una cavidad bloqueada estable. Se cree que esto se debe a los efectos térmicos. Se considera que la utilización de diamante alivió sustancialmente ambos efectos térmicos -permite un escalamiento efectivo de potencia del láser hasta el orden de vatios y más allá, y evita asimismo la degradación térmica deletérea de la estabilidad del bloqueo de la cavidad.

El diamante tiene asimismo, ventajosamente, un espectro Raman muy simple, sin desplazamientos Raman más pequeños. Esto es particularmente importante en láseres Raman bombeados con resonancia. Dado que la cavidad óptica tiene una Q elevada tanto a la longitud de onda de bombeo como a la longitud de onda de Stokes deseada, si el material Raman tiene cualesquiera desplazamientos Raman pequeños, estos pueden, entonces, generar luz no deseada cerca de la longitud de onda de bombeo. Esto se puede evitar en los láseres Raman no resonantes, garantizando que la cavidad Q es lo suficientemente baja cerca de la longitud de onda de bombeo. Esta técnica no está disponible para láseres bombeados de manera resonante. En ejemplos que utilizan KGW en un sistema bombeado de manera resonante se descubrió que, a menudo, el láser no produjo ninguna salida a la longitud de onda objetivo de los inventores (asociada con el desplazamiento Raman de 901 cm'1), generando en cambio luz cerca de la longitud de onda de bombeo debido a uno de los desplazamientos pequeños de KGW. La utilización de diamante, que no tiene desplazamientos pequeños competidores, garantiza que toda la potencia óptica se canaliza a las longitudes de onda deseadas.

Cuando se utiliza el espejo retrorreflectante se puede introducir asimismo un filtro espectral. Mediante el filtrado espectral del campo óptico retroalimentado a la cavidad es posible controlar el espectro del campo de Stokes intracavidad. Esto puede ayudar a estrechar o sintonizar el espectro de dicho campo. El filtro espectral puede comprender elementos de sintonización tales como etalones, filtros birrefringentes, rejillas de transmisión o prismas. El filtrado puede, asimismo, conseguirse directamente mediante el elemento retrorreflectante, por ejemplo, utilizando una rejilla de reflexión o una rejilla de volumen de Bragg.

La duplicación intracavidad de un campo de Stokes puede requerir un cristal no lineal adicional, y un espejo dicroico para desacoplar la radiación duplicada. Puede ser posible utilizar un único cristal no lineal para conseguir simultáneamente funcionamiento unidireccional (utilizando mezcla de suma de frecuencias con desajuste de fase de los campos de bombeo y de Stokes) y duplicación intracavidad del campo de Stokes deseado (mediante duplicación de frecuencia adaptada en fase).

Interpretación

En toda esta memoria descriptiva, la referencia a “una realización” o “algunas realizaciones” significa que un aspecto, estructura o característica particular descrita en relación con la realización está incluida en, por lo menos, una realización de la presente invención. Por lo tanto, no todas las apariciones de las expresiones “en una realización” o “en algunas realizaciones” en varios lugares a lo largo de esta memoria descriptiva se refieren necesariamente a la misma realización, aunque pueden hacerlo.

Tal como se utilizan en la presente memoria, salvo que se especifique lo contrario, la utilización de los adjetivos ordinales “primero”, “segundo”, "tercero", etc., para describir un objeto común, tan solo indican que se menciona diferentes instancias de objetos similares, y no pretenden implicar que los objetos así descritos tienen que estar en una secuencia, ya sea temporal, espacial, de clasificación o de cualquier otro tipo.

En las siguientes reivindicaciones y en la descripción de la presente memoria, cualquiera de las expresiones “comprendiendo”, “compuesto de”, o “que comprende” es un término abierto que pretende incluir, por lo menos, los elementos/características que siguen, pero sin excluir otros. Por lo tanto, no se deberá interpretar que la expresión “que comprende”, cuando se utiliza en las reivindicaciones, es limitativa de los medios, elementos o etapas enumerados a continuación. Por ejemplo, el alcance de la expresión “un dispositivo que comprende A y B” no se deberá limitar a dispositivos que consisten solamente en elementos A y B. Cualquiera de las expresiones “incluyendo” o “que incluye”, tal como se utiliza en la presente memoria, es, asimismo, una expresión abierta que significa asimismo que incluye, por lo menos, los elementos/características que la siguen, pero sin excluir otros. Por lo tanto, “que incluye” es sinónimo de “que comprende” y significa lo mismo.

Tal como se utiliza en la presente memoria, la expresión “a modo de ejemplo” se utiliza en el sentido de proporcionar ejemplos, pero no de indicar calidad. Es decir, una “realización a modo de ejemplo” es una realización proporcionada como ejemplo, y no necesariamente una realización de calidad ejemplar.

De manera similar, cabe señalar que no se deberá interpretar que la expresión “acoplado”, cuando se utiliza en las reivindicaciones, se limita solamente a conexiones directas. Se pueden utilizar los términos “acoplado” y “conectado”, junto con sus derivados. Debe entenderse que no se pretende que estos términos sean sinónimos entre sí. Por lo tanto, el alcance de la expresión “un dispositivo A acoplado a un dispositivo B” no se deberá limitar a dispositivos o sistemas en los que una salida del dispositivo A está conectada directamente a una entrada del dispositivo B. Esta significa que existe un camino entre una salida de A y una entrada de B que puede ser un camino que incluye otros dispositivos o medios. “Acoplado” puede significar que dos o más elementos están en contacto físico o eléctrico directo, o bien que dos o más elementos no están en contacto directo entre sí pero siguen cooperando o interactuando entre sí.

Por lo tanto, si bien se han descrito las que se consideran realizaciones preferentes de la invención, los expertos en la materia reconocerán que se pueden realizar otras y adicionales modificaciones a las mismas sin apartarse del alcance de las reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Láser Raman (10) de anillo monomodo longitudinal, que incluye:

una fuente de bombeo (11) que emite una potencia lumínica de bombeo, adaptada en modo y acoplada de manera resonante a un primer resonador (14) de anillo;

un circuito óptico estabilizador para acoplar de manera resonante la potencia lumínica de bombeo al primer resonador (14) de anillo, que incluye un accionador piezoeléctrico para estabilizar el acoplamiento resonante; incluyendo el primer resonador (14) de anillo un medio de ganancia Raman (15);

en el que el medio de ganancia Raman (15) recibe la potencia lumínica de bombeo y soporta emisión de láser Raman que genera potencia de Stokes a una correspondiente longitud de onda de Stokes;

actuando el primer resonador (14) de anillo como un bucle de retroalimentación de láser para la potencia lumínica de bombeo y la potencia de Stokes, y emitiendo una parte de la potencia de Stokes como la salida del láser; y un aislante unidireccional para hacer que la potencia de salida de Stokes se propague en un sentido dentro del primer resonador de anillo;

en el que el aislante unidireccional incluye un elemento parcialmente reflectante (24), o un elemento (22) con no linealidad de segundo orden para proporcionar una mezcla de suma de frecuencias de la potencia lumínica de bombeo con un campo bidireccional generado para forzar la oscilación unidireccional.

2. Láser Raman, según la reivindicación 1, en el que dicho primer resonador (14) de anillo comprende una cavidad en forma de pajarita que tiene una serie de espejos curvos que enfocan la potencia lumínica de bombeo a una sección transversal elíptica o circular dentro del medio de emisión de láser Raman.

3. Láser Raman, según cualquier reivindicación anterior, en el que dicho medio de ganancia Raman comprende un cristal de diamante de baja birrefringencia y bajo contenido en nitrógeno.

4. Láser Raman, según la reivindicación 3, en el que dicho cristal de diamante está cortado en un ángulo de Brewster para la propagación de luz a lo largo de una dirección <110> y la polarización a lo largo de un eje ortogonal <111> o <110>.

5. Láser Raman, según cualquier reivindicación anterior, que incluye, además, una serie de espejos dicroicos que tienen alta selectividad a la longitud de onda de Stokes para aislar la potencia de salida de Stokes respecto de la fuente de bombeo (11).

6. Láser Raman, según la reivindicación 1, en el que el elemento parcialmente reflectante comprende un espejo retrorreflectante.

7. Láser Raman, según la reivindicación 1, en el que el aislante unidireccional comprende un aislante óptico no recíproco.

8. Láser Raman, según la reivindicación 1, el que dicho aislante unidireccional está formado como resultado de pérdida paramétrica debida a la mezcla de suma de frecuencias de la potencia lumínica de bombeo con el campo bidireccional generado.

9. Láser Raman, según la reivindicación 8, en el que la potencia lumínica de bombeo está mezclada con suma de frecuencias con la salida de Stokes de la emisión de láser Raman.

10. Láser Raman, según la reivindicación 8 o 9, en el que la mezcla de suma de frecuencias es proporcionada por un cristal BBO.