IT202000001897A1 - Dispositivo laser a guadagno interferometrico - Google Patents

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Sara Piccione
Stefano Biasi
Lorenzo Pavesi
Cristiano Raffaldi
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Univ Degli Studi Di Trento
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Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: ?Dispositivo laser a guadagno interferometrico?
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda i dispositivi laser, in particolare, ma non esclusivamente i dispositivi laser a semiconduttore.
Uno dei principali limiti di questa particolare classe di laser ? l'impossibilit? di raggiungere una potenza ottica elevata, superiore a qualche decina di watt, ad esempio dell'ordine del kilowatt o superiore, da un singolo diodo laser.
Tale potenza ? necessaria in particolari lavorazioni industriali, ad esempio nei processi di lavorazione industriale di materiali, e di lastre e profilati metallici in particolare, ove il laser ? utilizzato come utensile termico per una grande variet? di applicazioni che dipendono dai parametri di interazione del fascio laser con il materiale in lavorazione, specificamente dalla densit? di energia per volume di incidenza del fascio laser sul materiale, e dall'intervallo di tempo di interazione.
Ad esempio, indirizzando una bassa densit? di energia (dell'ordine delle decine di W per mm<2 >di superficie) per un tempo prolungato (dell'ordine dei secondi) su un materiale metallico si realizza un processo di tempra, mentre indirizzando una elevata densit? di energia (dell'ordine delle decine di MW per mm<2 >di superficie) per un tempo dell'ordine dei femtosecondi o picosecondi sullo stesso materiale metallico si realizza un processo di foto-ablazione. Nella gamma intermedia di densit? di energia crescenti e tempo di lavorazione decrescente il controllo di questi parametri permette di realizzare processi di saldatura, taglio, perforazione, incisione, marcatura.
Un dispositivo laser ? impiegato anche nei processi additivi ove il materiale ?, ad esempio, apportato sotto forma di filamento, o sotto forma di polvere emessa da un ugello, o ancora in alternativa pu? essere presente nella forma di letto di polvere, e viene quindi fuso da radiazione laser, ottenendo una stampa tridimensionale a seguito della ri-solidificazione del materiale stesso.
Nella tecnica nota, per ottenere potenze ottiche elevate degli ordini di grandezza sopra richiamati si ricorre alla combinazione di differenti fasci laser tra di loro.
La combinazione di differenti fasci laser pu? essere ottenuta attraverso diverse tecniche basate su rispettive associazioni di dispositivi emettitori laser, quali la combinazione di fasci tra loro incoerenti (combinazione incoerente), la combinazione di fasci in lunghezza d'onda, la combinazione di fasci tra loro coerenti (combinazione coerente).
Svantaggiosamente, attraverso la combinazione di fasci incoerenti si ottiene un fascio complessivo la cui radianza (grandezza che tiene conto sia della potenza ottica totale che della qualit? del fascio risultante) non supera la radianza del singolo laser. Inoltre, nelle tecniche di combinazione incoerente non esiste alcuna relazione (n? di fase, n? spettrale) tra i fasci coinvolti, per cui la potenza ottica aumenta con l'aumentare del numero di dispositivi emettitori laser coinvolti a scapito della qualit? del fascio complessivo ottenuto.
Attraverso la combinazione di fasci in lunghezza d'onda o la combinazione di fasci coerenti ? possibile aumentare la potenza ottica emessa, mantenendo inalterata la qualit? del fascio risultante, la radianza aumentando linearmente con il numero di dispositivi emettitori laser combinati.
In particolare, nella tecnica di combinazione di fasci in lunghezza d'onda ciascun dispositivo emettitore laser opera ad una lunghezza d'onda diversa e l'utilizzo di un elemento ottico dispersivo permette la sovrapposizione dei fasci da combinare. L'aumento di potenza ? quindi ottenuto a scapito della qualit? spettrale del fascio.
In una architettura per la combinazione di fasci coerenti, invece, tutti i dispositivi emettitori laser operano alla medesima lunghezza d'onda ed esiste una specifica relazione di fase in modo tale che possa verificarsi interferenza costruttiva tra i singoli fasci.
L'impiego di una tra le tecniche richiamate dipende dall'applicazione per cui si rende necessaria una potenza ottica elevata.
Allo scopo di realizzare una sorgente ad alta brillanza, ad esempio del tipo impiegato nelle lavorazioni laser di materiali, ? necessaria l'adozione di architetture per la combinazione di fasci in lunghezza d'onda o di fasci coerenti. Tra queste, la soluzione attualmente pi? frequente ? la prima e la ragione principale ? da attribuire alla sua maggiore facilit? di realizzazione. Infatti, poich? si tratta di tecniche che combinano fasci laser tra loro differenti, ossia fasci erogati da dispositivi emettitori laser differenti, la principale difficolt? nel realizzare una architettura per la combinazione di fasci coerenti risiede nel controllo attivo della relazione di fase necessaria per ottenere interferenza costruttiva tra i vari fasci coinvolti.
Questa difficolt? diventa ancora maggiore per i dispositivi laser a semiconduttori, dove instabilit? termiche e fenomeni non lineari possono alterare significativamente la fase del fascio.
La presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire una soluzione alternativa alle architetture esistenti di dispositivi e sistemi laser, che sia di semplice realizzazione ed atta ad emettere un fascio coerente di potenza ottica elevata.
In particolare, la presente invenzione si prefigge lo scopo di fornire un dispositivo laser robusto e semplice da realizzare, che consenta di aumentare la potenza massima estraibile da un laser a semiconduttore rispetto alla tecnica nota.
Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un dispositivo laser avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.
Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto ? da intendersi come parte integrale della presente descrizione.
In sintesi, la presente invenzione ? basata sulla disposizione di un sistema amplificatore ottico, ossia di mezzi di guadagno ottici, in una unica struttura risonante ottica, quale una cavit? risonante (tra cui anche una cavit? Fabry-Perot) o un percorso ottico ad anello, per cui il dispositivo laser oggetto dell'invenzione consiste in un dispositivo emettitore singolo e non nella combinazione di una pluralit? di dispositivi emettitori. I mezzi di guadagno comprendono uno stadio o una pluralit? di stadi amplificatori in serie o cascata, ciascuno dei quali include una disposizione di amplificazione ottica interferometrica, ossia una disposizione ottica che realizza dapprima la suddivisione di un fascio ottico incidente in una coppia di fasci secondari, quindi la conduzione dei due fasci secondari rispettivamente attraverso un ramo di amplificazione ed un ramo di propagazione imperturbata, ossia senza amplificazione, infine la loro ricombinazione in un fascio di interferenza. La suddivisione del fascio ottico incidente ? determinata in modo tale che la maggior parte della potenza del fascio incidente sia indirizzata verso il ramo di propagazione non amplificante.
In una forma di realizzazione attualmente preferita il ramo di amplificazione comprende un amplificatore ottico a semiconduttore, alimentato da una corrente di iniezione per realizzare una condizione di inversione di popolazione dei portatori di carica confinati nella regione attiva ove avviene la conseguente ricombinazione radiativa ed emissione di fotoni coerenti in fase con i fotoni in transito del fascio ottico incidente. Vantaggiosamente, suddivisone del fascio consente la riduzione della potenza che entra nell'amplificatore ottico a semiconduttore. A parit? di corrente di iniezione, rispetto ad un amplificatore standard, vengono ovviate diverse problematiche relative alla potenza circolante, come ad esempio danni sulla superficie del semiconduttore, problemi termici associati ad eventuali assorbimenti di potenza e fenomeni non lineari. Tale configurazione permette di avere un dispositivo con maggiore affidabilit? e con una maggiore vita media.
Un percorso ottico di ritorno del fascio di interferenza all'ingresso dei mezzi di guadagno realizza con il sistema amplificatore una struttura risonante, ad esempio nella forma di cavit? risonante o di circuito risonante ad anello. La propagazione del fascio pu? avvenire in una singola direzione di propagazione o su entrambe.
In una forma di realizzazione attualmente preferita con trasmissione ottica nello spazio libero gli stadi amplificatori includenti una o pi? disposizioni di amplificazione ottica interferometriche comprendono mezzi divisori e combinatori di fascio, rispettivamente in ingresso ed in uscita a ciascuno stadio di amplificatore ottico interferometrico, ad esempio dispositivi ottici realizzati come prismi o specchi semitrasparenti, ed il percorso ottico di ritorno comprende sistemi ottici riflettenti e rifrangenti, atti a guidare e conformare spazialmente il fascio. Alternativamente, in una forma di realizzazione in ottica guidata o integrata, la conduzione dei fasci ottici avviene per confinamento in guide ottiche ricavate su un substrato, ad esempio un substrato compatibile con la realizzazione di un amplificatore ottico a semiconduttore, e la divisione e la ricombinazione dei fasci ottici avviene attraverso mezzi divisori e combinatori di fascio realizzati tramite tecniche di accoppiamento modale controllato tra le suddette guide ottiche.
Il vantaggio della struttura di amplificatore interferometrico risiede nella possibilit? di distogliere dal ramo di amplificazione una porzione della potenza ottica incidente in modo tale da impedire il raggiungimento di una condizione di saturazione della regione attiva dell'amplificatore ottico, che ne limiterebbe le propriet? di amplificazione.
Rispetto ad un semplice amplificatore ottico a semiconduttori, un amplificatore ottico interferometrico a semiconduttori pu? presentare un guadagno inferiore, ma ha una potenza di saturazione maggiore. Il comportamento dell'amplificatore interferometrico si allontana sempre di pi? dal comportamento dell'amplificatore semplice tanto maggiore ? la porzione del fascio incidente condotta attraverso il ramo di propagazione non amplificante, per cui maggiore ? il guadagno attraverso il ramo di amplificazione che lavora lontano dal punto di saturazione. Inoltre, sono meno presenti fenomeni associati alla potenza che degradano le prestazioni complessive del dispositivo, con ci? ottenendo una maggiore stabilit? ed una maggiore durata.
Nella configurazione del sistema amplificatore sopra descritta, dai mezzi combinatori di fascio in uscita all'ultimo stadio di amplificatore ottico interferometrico ? estratta una porzione del fascio combinato emergente che ? erogata come radiazione di uscita del dispositivo laser oggetto dell'invenzione, mentre la restante porzione del fascio combinato emergente circola nella struttura risonante per dar luogo all'oscillazione laser. In questo design, quindi, i mezzi combinatori di fascio svolgono contemporaneamente anche il ruolo di mezzi accoppiatori di uscita della struttura risonante. Ad esempio, la porzione del fascio emergente dal sistema amplificatore erogata come radiazione laser di uscita ? un fascio di perdita dei mezzi combinatori di fascio, per cui la porzione maggiore del fascio combinato emergente dal sistema amplificatore ? reintrodotta in esso e nuovamente amplificata.
In una forma di realizzazione alternativa, i mezzi accoppiatori di uscita sono disposti al termine del percorso ottico di ritorno del fascio di interferenza, all'ingresso del sistema amplificatore (dei mezzi di guadagno) e sono realizzati come mezzi divisori di fascio atti a estrarre dal fascio circolante nella struttura risonante una minima porzione del fascio per erogarla come radiazione laser di uscita.
La porzione di fascio che contribuisce all'uscita di radiazione del dispositivo laser, ossia la percentuale di potenza ottica estratta come uscita del laser, Pout, rispetto alla potenza circolante, Pb, ? legata alla potenza circolante attraverso il parametro di riflettivit? R dei mezzi accoppiatori di uscita. Dipendentemente dalla posizione dei mezzi accoppiatori di uscita nella struttura risonante pu? essere
Pout = R ? Pb
o, viceversa,
Pout = (1-R) ? Pb
Tipicamente esiste un valore ottimale di R che dipende dalle caratteristiche della struttura risonante, con particolare riferimento alle perdite che il fascio subisce durante la sua propagazione.
La configurazione oggetto dell'invenzione permette di raggiungere una condizione stazionaria di equilibrio tra perdite (uscita del dispositivo laser), guadagno e interferenza tra i fasci ricombinati in ciascuna disposizione di amplificazione ottica interferometrica. Il rapporto di divisione dei mezzi divisori di fascio e le lunghezze ottiche dei rispettivi rami di amplificazione e di propagazione non amplificante di ciascuna disposizione interferometrica sono selezionati e controllati in modo tale da ottimizzare le prestazioni complessive del dispositivo, tra cui la separazione spettrale tra i massimi di interferenza tra i fasci ricombinati. Infatti, in condizioni costruttive ed operative reali, in cui la differenza di cammino ottico tra i due rami non ? nulla, si genera uno spettro di interferenza tra i fasci combinati e la potenza dei fasci combinati corrisponde al valor medio tra il massimo e il minimo della potenza dei fasci interferenti. La separazione spettrale tra due massimi o due minimi di interferenza dipende dalla differenza di cammino ottico percorso dai due fasci interferenti.
Teoricamente, stabilizzando la struttura risonante, ossia forzando a zero la differenza di fase tra i fasci condotti attraverso il ramo di amplificazione ed attraverso il ramo di propagazione non amplificante, le prestazioni di una singola disposizione di amplificazione interferometrica equivarrebbero alle (o addirittura supererebbero le) prestazioni di un diodo laser standard non interferometrico, ossia un diodo laser a semiconduttore a cavit? esterna. Rispetto ad un diodo laser a semiconduttore a cavit? esterna, infatti, ? possibile ottenere una riduzione della potenza sul mezzo di guadagno. Poich? questo lavora in regime di saturazione, in una condizione operativa di potenza ottica incidente minore il guadagno ? maggiore.
Il risultato di simulazioni condotte dagli inventori ha dimostrato che la potenza in uscita da un dispositivo laser secondo l'invenzione a due stadi interferometrici di guadagno ? maggiore della somma (incoerente) della potenza di due singoli dispositivi laser, e pi? in generale che la potenza in uscita da un dispositivo laser secondo l'invenzione a n stadi interferometrici di guadagno ? maggiore della somma (incoerente) della potenza di n singoli dispositivi laser.
Vantaggiosamente, grazie al design proposto, ? possibile ottenere un fascio coerente di potenza ottica elevata senza necessit? di realizzare difficili tecniche di controllo della fase di ciascun dispositivo emettitore laser. Tuttavia, l'adozione di tecniche di stabilizzazione in frequenza per il controllo in tempo reale ed in modo attivo della fase che il fascio acquista durante la propagazione, ad esempio imponendo un controllo sulla fase nel mezzo di guadagno o realizzando una linea di ritardo, oppure ricorrendo ad una stabilizzazione Pound-Drever-Hall per cui ? forzata nella struttura risonante l'oscillazione di una sola lunghezza d'onda corrispondente al massimo di interferenza tra i fasci del ramo di amplificazione e del ramo non amplificante, consentirebbe un ulteriore aumento di potenza ed una banda di emissione pi? stretta.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno pi? dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente di una sua forma di attuazione, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
la figura 1 ? uno schema generale di un dispositivo laser secondo l'invenzione;
la figura 2 ? un primo esempio di realizzazione schematico di un dispositivo laser secondo l'invenzione avente una singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica, in una forma di realizzazione in spazio libero;
la figura 3 mostra una variante di realizzazione del dispositivo laser della figura 2;
la figura 4 ? un diagramma di simulazione del comportamento del dispositivo laser della figura 3;
la figura 5 mostra la variante di realizzazione del dispositivo laser della figura 3 con due disposizioni di amplificazione ottica interferometriche in cascata;
la figura 6 ? un secondo esempio di realizzazione schematico di un dispositivo laser secondo l'invenzione avente una singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica, in una forma di realizzazione in spazio libero;
la figura 7 ? un diagramma di simulazione del comportamento del dispositivo laser della figura 6;
la figura 8 mostra il secondo esempio di realizzazione del dispositivo laser della figura 6 con due disposizioni di amplificazione ottica interferometriche in cascata;
la figura 9 mostra un terzo esempio di realizzazione di un dispositivo laser secondo l'invenzione avente una singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica, in una forma di realizzazione in spazio libero; e
la figura 10 mostra il terzo esempio di realizzazione del dispositivo laser della figura 9 con una pluralit? di disposizioni di amplificazione ottica interferometriche in cascata.
In figura 1 ? mostrato schematicamente nei tratti essenziali un dispositivo laser secondo l'invenzione, complessivamente indicato con 10. Esso comprende un sistema amplificatore 12 di un fascio ottico incidente Bi, un percorso ottico 14 di ritorno di un fascio ottico Bo emergente dal sistema amplificatore 12 atto a portare il fascio ottico Bo all'ingresso del sistema amplificatore 12 come fascio ottico incidente Bi e formante con il sistema amplificatore 12 una struttura risonante ottica, e mezzi 16 di uscita di una radiazione ottica coerente dal dispositivo laser atti ad estrarre una porzione del fascio emergente dal sistema amplificatore - o, in alternativa (rappresentata con una linea tratteggiata), una porzione del fascio incidente in ingresso al sistema amplificatore - ed emettere detta porzione di fascio come radiazione laser BL di uscita.
Il sistema amplificatore 12 comprende una singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica 20 o una pluralit? di disposizioni di amplificazione ottica interferometriche 20 in serie o cascata, come rappresentato schematicamente nel blocco 12. Ogni disposizione di amplificazione ottica interferometrica 20 include mezzi separatori di fascio di ingresso, atti a separare spazialmente il fascio ottico incidente in una prima porzione di fascio B1 ed una seconda porzione di fascio B2, a valle dei quali la prima porzione di fascio B1 ? indirizzata in un braccio di amplificazione 20a e la seconda porzione di fascio B2 ? indirizzata in un braccio di propagazione 20b non amplificante. Mezzi combinatori di fascio sono atti a riunire la prima porzione di fascio amplificata proveniente dal braccio di amplificazione 20a e la seconda porzione di fascio propagata senza amplificazione proveniente dal braccio di propagazione 20b di ogni disposizione di amplificazione ottica interferometrica 20 ed i mezzi combinatori dell'ultima disposizione di amplificazione ottica interferometrica della serie formano il fascio ottico Bo emergente dal sistema amplificatore 12.
Il braccio di amplificazione 20a include una regione attiva o regione di guadagno G suscettibile di emettere fotoni coerenti alla prima porzione di fascio B1 per emissione stimolata in seguito ad eccitazione ottenuta, ad esempio, attraverso mezzi di pompaggio ottico od elettrico.
In una forma di realizzazione attualmente preferita la regione attiva include un materiale semiconduttore e ad essa ? associato un sistema di eccitazione elettrico atto ad alterare l'equilibrio termodinamico delle popolazioni dei portatori di carica in essa confinati, al fine di determinare una condizione di inversione della popolazione dei portatori di carica e conseguente ricombinazione radiativa.
In una forma di realizzazione alternativa, la regione attiva pu? includere un altro materiale suscettibile di sostenere una emissione stimolata di fotoni in seguito ad eccitazione ottica od elettrica.
In figura 2 ? mostrato un primo esempio di realizzazione schematico di un dispositivo laser secondo l'invenzione avente una singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica 20, in una forma di realizzazione in spazio libero.
La disposizione di amplificazione ottica interferometrica 20 include in ingresso mezzi BS separatori del fascio incidente Bi nella prima porzione di fascio B1 e nella seconda porzione di fascio B2, ed in uscita mezzi combinatori BC della prima porzione di fascio B1 amplificata nella regione attiva di guadagno G e della seconda porzione di fascio B2. Il fascio ottico Bo combinato emergente dalla disposizione di amplificazione ottica interferometrica 20 ? riportato in ingresso alla medesima disposizione di amplificazione ottica interferometrica 20 attraverso un percorso ottico 14 di ritorno formante una struttura risonante ottica ad anello, comprendente mezzi riflettori ottici, nell'esempio non limitativo quattro specchi piani M1-M4.
In una forma di realizzazione in cui la regione attiva di guadagno G del ramo di amplificazione ? formata da un amplificatore ottico a semiconduttori ? conveniente associarvi uno stadio 22 di accoppiamento del fascio in ingresso ed uno stadio 24 di collimazione del fascio in uscita, che possono essere realizzati alternativamente da:
- una coppia di lenti asferiche, rispettivamente una prima lente atta a focalizzare il fascio in ingresso alla regione di amplificazione e una seconda lente atta a collimare il fascio in uscita dalla regione di amplificazione;
- una coppia di lenti asferiche e una coppia di lenti cilindriche per circolarizzare il fascio, rispettivamente prime lenti atte a focalizzare e circolarizzare il fascio in ingresso alla regione di amplificazione e seconde lenti atte a circolarizzare e collimare il fascio in uscita dalla regione di amplificazione;
- una coppia di lenti sferiche e una coppia di prismi anamorfici, rispettivamente in ingresso alla regione di amplificazione ed in uscita dalla regione di amplificazione;
- una lente asferica di focalizzazione del fascio in ingresso alla regione di amplificazione e una coppia di lenti cilindriche per collimare e circolarizzare il fascio in uscita dalla regione di amplificazione;
- una coppia di microlenti, rispettivamente per focalizzare e collimare il fascio in ingresso alla regione di amplificazione ed in uscita dalla regione di amplificazione;
- una microlente di focalizzazione del fascio in ingresso alla regione di amplificazione e una coppia di microlenti per collimare il fascio in uscita dalla regione di amplificazione sia nell'asse lento che nell'asse veloce.
Il braccio di propagazione 20b pu? comprendere uno o pi? elementi ottici riflettenti o rifrangenti (non raffigurati), rispettivamente per il controllo della lunghezza ottica del percorso di propagazione e per il controllo della forma spaziale del fascio.
I mezzi combinatori BC in uscita alla disposizione di amplificazione interferometrica 20 realizzano inoltre i mezzi di uscita 16 della radiazione ottica coerente dal dispositivo laser (BL) per estrazione di una porzione del fascio Bo emergente dalla disposizione 20 come fascio di perdita di detti mezzi combinatori.
La figura 3 mostra una variante di realizzazione del dispositivo laser della figura 2 in cui il percorso ottico 14 di ritorno comprendente quattro specchi piani M1-M4 e due specchi curvi M5, M6 per il ripiegamento e la conformazione del fascio.
In figura ? mostrato anche un isolatore ottico 26 a valle della regione attiva G, atto a consentire la propagazione della prima porzione di fascio amplificata in un'unica direzione predeterminata. L'isolatore 26 pu? essere presente in qualsiasi altra forma di realizzazione descritta e disposto in qualsiasi punto della struttura risonante. Poich? per? il mezzo di guadagno G emette da entrambe le direzioni, per semplicit? di allineamento l'isolatore ? disposto vantaggiosamente all'uscita della regione attiva di amplificazione.
La figura 4 ? un diagramma di simulazione del comportamento del dispositivo laser della figura 3, che ne mostra la potenza di uscita in funzione della finestra spettrale rispetto all'origine del grafico. Specificamente, il grafico mostra il risultato dovuto all'interferenza tra i due fasci (amplificato e imperturbato). Le frange sono dovute all'interferenza tra la prima porzione di fascio B1 amplificata nella regione attiva di guadagno G del braccio 20a e la seconda porzione di fascio B2 propagata senza amplificazione nel braccio 20b. La spaziatura tra le frange dipende dal cammino ottico. La linea tratteggiata indica la potenza media, mentre la linea a tratto e punto indica la potenza massima estraibile da una struttura risonante avente le stesse dimensioni, ma senza disposizione interferometrica del ramo di propagazione.
Nel massimo di interferenza il dispositivo dell'invenzione mostra prestazioni migliori rispetto ad un diodo laser standard senza disposizione interferometrica. Tuttavia, data la difficolt? di bilanciare una disposizione interferometrica, ossia data l'impossibilit? di rendere uguali i percorsi ottici nei due rami, la potenza in uscita risultante ? il valor medio di quanto riportato nel grafico.
La figura 5 mostra la variante di realizzazione del dispositivo laser della figura 3 con due disposizioni di amplificazione ottica interferometriche 20, 20' in cascata, collegate da mezzi separatori di fascio BS' che attuano sia la ricombinazione dei fasci della disposizione di amplificazione interferometrica 20 a monte che la separazione dei fasci nella disposizione di amplificazione interferometrica 20' a valle. Questa variante di realizzazione permette di adottare disposizioni di amplificazione interferometriche in ciascuna delle quali ? possibile minimizzare la differenza di lunghezza ottica dei bracci di amplificazione e di propagazione 20a, 20b (rispettivamente 20a', 20b'), o rendere tale lunghezze ottiche equivalenti.
La figura 6 ? un secondo esempio di realizzazione schematico di un dispositivo laser secondo l'invenzione avente una singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica, in una forma di realizzazione in spazio libero. Esso mostra una struttura pi? compatta in cui i mezzi separatori di fascio BS ed i mezzi combinatori di fascio BC sono sostanzialmente allineati ai percorsi di ingresso del fascio incidente Bi e di uscita del fascio emergente Bo, a discapito del controllo dell'interferenza tra la prima porzione di fascio B1 amplificata nella regione attiva di guadagno G del braccio 20a e la seconda porzione di fascio B2 propagata senza amplificazione nel braccio 20b, i due bracci 20a, 20b presentando una significativa differenza di lunghezza ottica.
La figura 7 ? un diagramma di simulazione del comportamento del dispositivo laser della figura 6, che ne mostra la potenza di uscita in funzione della finestra spettrale rispetto all'origine del grafico. Specificamente, il grafico mostra il risultato dovuto all'interferenza tra i due fasci (amplificato e imperturbato). Le frange sono dovute all'interferenza tra il fascio amplificato e il fascio non perturbato. La spaziatura tra le frange di interferenza tra la prima porzione di fascio B1 amplificata nella regione attiva di guadagno G del braccio 20a e la seconda porzione di fascio B2 propagata senza amplificazione nel braccio 20b dipende dal cammino ottico, ed ? differente rispetto alla spaziatura tra le frange del grafico di figura 4 perch? diverso ? il cammino ottico: a frange pi? strette corrisponde una differenza di cammino ottico percorso dai fasci maggiore. La linea tratteggiata indica la potenza media, mentre la linea a tratto e punto indica la potenza massima estraibile da una struttura risonante avente le stesse dimensioni, ma senza disposizione interferometrica del ramo di propagazione.
La figura 8 mostra il secondo esempio di realizzazione del dispositivo laser della figura 6 con due disposizioni di amplificazione ottica interferometriche in cascata. Rispetto alla configurazione di figura 5, questa configurazione ? pi? compatta in una realizzazione in spazio libero.
La figura 9 mostra un terzo esempio di realizzazione di un dispositivo laser secondo l'invenzione avente una singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica, in una forma di realizzazione in spazio libero.
Diversamente dal primo e dal secondo esempio di realizzazione, i mezzi 16 di uscita della radiazione ottica coerente dal dispositivo laser sono predisposti per estrarre una porzione del fascio condotto lungo il percorso ottico di ritorno in ingresso al sistema amplificatore ed emettere detta porzione di fascio come radiazione laser di uscita.
In figura 10 ? mostrata la configurazione di figura 9 con una pluralit? di disposizioni di amplificazione ottica interferometriche 20, 20', ..., 20<n >in cascata. La prima disposizione di amplificazione ottica interferometrica ? sostanzialmente analoga alla disposizione di amplificazione ottica interferometrica che caratterizza le forme di realizzazione precedentemente descritte, fatta eccezione per l'interposizione di mezzi separatori di fascio BSi lungo il braccio di amplificazione, atti ad estrarre una porzione minore del fascio amplificato per dirigerla verso il braccio di amplificazione della disposizione di amplificazione interferometrica successiva a valle, separatamente da una porzione maggiore del fascio amplificato diretta verso i mezzi combinatori BC. Ciascuna disposizione di amplificazione ottica interferometrica intermedia presenta dunque al proprio ingresso mezzi BSi separatori di fascio che agiscono esclusivamente sul fascio dal braccio di amplificazione 20a dello stadio interferometrico precedente, e non sul fascio ricombinato dello stadio interferometrico precedente. I mezzi combinatori BC di ogni disposizione di amplificazione ottica interferometrica riuniscono, ed inoltrano allo stadio successivo, la porzione residua di fascio B1' amplificata nella regione attiva di guadagno G, che non ? trasmessa al braccio di amplificazione della disposizione a valle, e la porzione di fascio B2 propagata senza amplificazione. I mezzi combinatori BC di ciascuna disposizione di amplificazione interferometrica possono presentare un rispettivo fascio di perdita che ? vantaggiosamente diretto verso mezzi rivelatori D di fascio ottico (ad esempio, un fotodiodo) atti a monitorare l'intensit? e la fase del fascio intermedio alla catena di amplificazione.
Il fascio ottico Bo combinato emergente dalla serie di disposizioni di amplificazione ottica interferometriche in cascata del sistema di amplificazione ? riportato in ingresso alla prima disposizione di amplificazione ottica interferometrica del sistema di amplificazione attraverso un percorso ottico 14 di ritorno formante una struttura risonante ottica ad anello.
Il dispositivo laser secondo l'invenzione offre diversi vantaggi rispetto alle soluzioni offerte dallo stato dell'arte. Rispetto alle tecniche di combinazione di fasci incoerente, oggi adottate, il dispositivo descritto mostra i vantaggi di una tecnica di combinazione coerente. Rispetto a tecniche di combinazione di fasci in lunghezza d'onda, esso permette di ottenere un aumento di potenza mantenendo la qualit? spettrale del laser stesso. Rispetto alle architetture di combinazione di fasci coerenti, esso offre uno strumento robusto che evita l'impiego di algoritmi attivi di controllo in tempo reale della fase di ciascun dispositivo emettitore laser, rendendone pi? semplice la realizzazione e l'adozione industriale.
Inoltre, la realizzazione di un'unica struttura risonante esterna a tutti gli stadi amplificatori offre la possibilit? di un controllo sulla forma spaziale del fascio, direttamente in cavit?.
Da un punto di vista teorico, l'unico limite sul numero di disposizioni di amplificazione interferometriche in cascata ? dato dalla legge di saturazione del guadagno dei singoli amplificatori ottici dei rami di amplificazione.
Si noti che la realizzazione proposta per la presente invenzione nella discussione che precede ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. Un tecnico esperto del settore potr? facilmente attuare la presente invenzione in realizzazioni diverse che non si discostano per? dai principi qui esposti, e sono dunque ricomprese nel presente brevetto.
Ci? vale in particolare per quanto riguarda la possibilit? di realizzare i mezzi divisori e combinatori di fascio, i mezzi di guadagno e la struttura risonante secondo tecniche o configurazioni differenti rispetto a quelle descritte o richiamate in precedenza. Ad esempio, sebbene le disposizioni di amplificazione interferometriche siano state rappresentate con il braccio di amplificazione disposto lungo la direzione di trasmissione del fascio incidente sui mezzi separatori di fascio, ed il braccio di propagazione non amplificante disposto lungo una direzione di riflessione o accoppiamento del fascio incidente sui mezzi separatori di fascio, ? possibile invertire le disposizioni dei bracci di amplificazione e di propagazione rispetto ai mezzi separatori di fascio purch? sia rispettata la condizione che la maggior parte della potenza ottica incidente sui mezzi separatori di fascio sia indirizzata verso il ramo di propagazione non amplificante.
Una realizzazione del dispositivo in spazio libero con un numero elevato di mezzi di guadagno richiede particolare attenzione nell'allineamento ottico dei componenti, e pi? convenientemente il dispositivo oggetto dell'invenzione pu? essere realizzato - in parte o nella sua totalit? - in ottica guidata, comprensiva di sistemi in fibra ottica o in ottica integrata a semiconduttore o altra piattaforma (ad esempio vetro).
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto ? stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo allontanarsi dall'ambito di protezione dell'invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo laser (10) atto ad emettere una radiazione ottica coerente, caratterizzato dal fatto che comprende: - un sistema amplificatore di fascio ottico (12), comprendente una singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica (20) o una pluralit? di disposizioni di amplificazione ottica interferometriche in serie (20, 20', ..., 20n), in cui ogni disposizione di amplificazione ottica interferometrica (20) include mezzi separatori di fascio di ingresso (BS), atti a separare spazialmente un fascio ottico incidente (Bi) in una prima porzione di fascio (B1) ed una seconda porzione di fascio (B2), a valle dei quali si estendono un braccio (20a) di amplificazione della prima porzione di fascio (B1), includente una regione attiva di guadagno (G) suscettibile di emettere fotoni coerenti alla prima porzione di fascio, ed un braccio (20b) di propagazione senza amplificazione della seconda porzione di fascio (B2), i quali si riuniscono all'uscita della disposizione di amplificazione ottica interferometrica (20); - mezzi combinatori di fascio (BC) atti a riunire la prima porzione di fascio (B1) amplificata e la seconda porzione di fascio (B2) propagata senza amplificazione della singola disposizione di amplificazione ottica interferometrica (20) o dell'ultima disposizione di amplificazione ottica interferometrica (20'; 20n) della serie in un fascio ottico (Bo) emergente dal sistema amplificatore; - un percorso ottico (14) di ritorno del fascio emergente (Bo) dal sistema amplificatore (12), atto a condurre detto fascio ottico emergente (Bo) in ingresso al sistema amplificatore (12) formando con esso una struttura risonante ottica; e - mezzi (16) di uscita della radiazione, predisposti per estrarre una porzione del fascio emergente (Bo) dal sistema amplificatore (12) ed erogare detta porzione di fascio come radiazione (BL) del dispositivo laser (10).
  2. 2. Dispositivo laser (10) secondo la rivendicazione 1, in cui il braccio di amplificazione (B1) include una regione attiva di guadagno (G) di materiale semiconduttore suscettibile di emettere fotoni coerenti alla prima porzione di fascio (B1) in seguito al raggiungimento di una condizione di inversione di popolazione dei portatori di carica in essa confinati e conseguente ricombinazione radiativa, detta regione attiva (G) essendo associata ad un sistema di eccitazione elettrico atto ad alterare l'equilibrio termodinamico delle popolazioni dei portatori di carica al fine di determinare detta condizione di inversione della popolazione.
  3. 3. Dispositivo laser (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto percorso ottico di ritorno (14) comprende mezzi riflettori ottici (M1-M6) atti a condurre detto fascio ottico emergente (Bo) in ingresso al sistema amplificatore (12) formando con esso una struttura risonante ottica ad anello.
  4. 4. Dispositivo laser (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui in una serie di disposizioni di amplificazione ottica interferometriche (20, 20'; 20, 20', ..., 20<n>) i mezzi (BSi) separatori di fascio di ingresso sono atti a separare spazialmente la prima porzione di fascio e la seconda porzione di fascio interferenti della disposizione di amplificazione ottica interferometrica precedente.
  5. 5. Dispositivo laser (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la potenza della prima porzione di fascio (B1) instradata nel braccio di amplificazione (20a) ? inferiore alla potenza della seconda porzione di fascio (B2) instradata nel braccio di propagazione senza amplificazione (20b).
  6. 6. Dispositivo laser (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta porzione del fascio emergente (Bo) dal sistema amplificatore (12) erogata come radiazione di uscita (BL) del dispositivo laser (10) ? un fascio di perdita di detti mezzi combinatori di fascio (BC) atti a riunire la prima porzione di fascio amplificata (B1) e la seconda porzione di fascio propagata senza amplificazione (B2) nel fascio ottico emergente (Bo) dal sistema amplificatore (12).
  7. 7. Dispositivo laser (10) secondo la rivendicazione 3, in cui detta porzione del fascio emergente (Bo) dal sistema amplificatore (12) erogata come radiazione di uscita (BL) del dispositivo laser (10) ? un fascio di perdita di uno di detti mezzi riflettori ottici (M4) del percorso ottico di ritorno (14).
  8. 8. Dispositivo laser (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il braccio di amplificazione (20a) include mezzi ottici di accoppiamento e collimazione (22, 24) accoppiati a detta regione attiva (G), comprendenti una coppia di sistemi diottrici predisposti rispettivamente per focalizzare la prima porzione di fascio (B1) in ingresso alla regione attiva (G) e per collimare la porzione di fascio amplificata in uscita dalla regione attiva (G).
  9. 9. Dispositivo laser (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il braccio di propagazione senza amplificazione (20b) comprende un sistema catottrico o un sistema diottrico atto a controllare l'indirizzamento o distribuzione di potenza trasversale della seconda porzione di fascio (B2).
  10. 10. Dispositivo laser (10) secondo la rivendicazione 3, in cui detti mezzi riflettori ottici (M1-M6) includono una pluralit? di sistemi catottrici totalmente riflettenti.
  11. 11. Dispositivo laser (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto percorso ottico di ritorno (14) del fascio emergente (Bo) dal sistema amplificatore (12) include elementi ottici atti a conformare la distribuzione di potenza trasversale del fascio.
  12. 12. Dispositivo laser (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta struttura risonante ottica include un isolatore ottico (26) atto a consentire la propagazione di un fascio in un'unica direzione predeterminata.
  13. 13. Dispositivo laser (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la lunghezza ottica del braccio di amplificazione (20a) e la lunghezza ottica del braccio di propagazione senza amplificazione (20b) di ogni disposizione di amplificazione ottica interferometrica (20) sono equivalenti.
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