IT9047972A1 - Sorgente laser di potenza - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
L'invenzione riguarda una sorgente laser di potenza ed in particolare una sorgente laser di potenza che emette ad una lunghezza d'onda non pericolosa per l'occhio umanoli campo coperto dalla presente invenzione riguarda la realizzazione di sorgenti laser di potenza che lavorano nelle finestre spettrali di 1.06 pm e/o 1,54 pm, 1,396 pm, 2,355 Pm.
La scelta della lunghezza d'onda di emissione nel campo spettrale situato verso 1,5 pm è legata al fatto che i rischi di danni ottici oculari sono minimizzati e che a questa lunghezza d'onda l'atmosfera presenta una buona finestra di trasmissione. Si ricorda che l'esposizione massima ammissibile al
2
livello dell'occhio è di 5pJ/cm a 1,064 Pm e passa
2
ad 1 J/cm a 1,54 Pm. Ne consegue che la realizzazione di sorgenti laser di potenza in questo campo spettrale presenta vantaggi innegabili.
Non esistono però materiali di matrici e di terre rare che presentino trasmissioni laser sfruttabili, tranne lo ione Erbio.
L'inconveniente legato all'impiego di questa terra rara è che il funzionamento laser è descritto da un sistema a tre livelli, ciò che presenta qualche inconveniente (soglia elevata, la transizione laser si sovrappone ad una banda di assorbimento, saturazione del guadagno più facile, ecc.).
Un'altra via consiste nel realizzare una tale sorgente per trasferimento Raman. In questo caso si utilizza un laser Nd : YAG (laser YAG drogato con Neodimio) che viene a pompare una cella nella quale si trova un gas che presenta uno spostamento di frequenza Raman che autorizza il trasferimento dell'onda di pompaggio situata ad 1,064 Pm verso 1,54 pm. Tale gas può essere metano (CH^) sotto alta pressione.
Questo gas presenta uno spostamento spettrale Raman di 2716 cm <1 >ed un coefficiente di guadagno Raman dell'ordine di 1,4 cm/GW sotto una pressione di 10 atmosfere.
Così, con un pompaggio centrato sulla lunghezza d'onda di emissione del laser Nd : YAG, è possibile generare una emissione alla lunghezza di Stokes ottenuta a partire dalla relazione:
ove Wp, Wp, Ws sono rispettivamente la frequenza angolare di pompaggio, lo spostamento di frequenza Raman e la frequenza dell'onda Stokes. In lunghezza d'onda e per uno spostamento Raman dato in cm ^, si ottiene:
Tuttavia, una tale sorgente non permette di erogare un fascio alla lunghezza d'onda Stokes ottimizzato come rendimento di conversione, poiché il processo Raman parte su un rumore.
L'invenzione fa dunque applicazione di una tale sorgente e fornisce mezzi che permettono di comandare un trasferimento d'energia dall'onda di pompaggio verso l'onda fornita.
L'invenzione riguarda dunque una sorgente laser di potenza caratterizzata dal fatto che comprende:
una sorgente laser di pompaggio che emette un fascio di pompaggio (F ) di una lunghezza d'onda determinata
- una cella a gas sotto pressione che riceve il fascio di pompaggio ed emette per effetto Raman un fascio d'uscita di una lunghezza d'onda detta onda di Stokes;
- una sorgente luminosa di comando che trasmette un fascio di comando alla cella a gas, tale fascio di comando avendo una lunghezza d'onda sostanzialmente uguale all'onda di Stokes
I diversi oggetti e caratteristiche dell'invenzione appariranno più chiaramente dalla lettura della descrizione che segue, fatta con riferimento ai disegni annessi, che rappresentano:
- la figura 1, un primo esempio di realizzazione del dispositivo dell'invenzione;
la figura 2, un secondo esempio di realizzazione del dispositivo dell'invenzione;
- le figure 3 a 5, diversi mezzi, secondo l'invenzione, di combinazione del fascio di pompaggio e del fascio di comando nella cella a gas;
- le figure 6 e 7, diagrammi di potenza ottica di emissione;
la figura 8, un diagramma che descrive la potenza ottica ripartita nel tempo del dispositivo dell'invenzione;
- la figura 9, un esempio di realizzazione di una variante del dispositivo dell'invenzione.
Riferendosi alla figura 1, si descriverà innanzitutto un primo esempio di realizzazione del dispositivo laser di potenza secondo l'invenzione.
Il dispositivo della figura 1 comprende principalmente:
- una barretta laser a cavità esterna 1 che emette un fascio di pompaggio Fp ad una lunghezza d'onda
determinata? - un grilletto, chiamato "Q.Switch" nella letteratura anglosassone, che permette di far lavorare il laser 1 in regime sbloccato? - una cella a gas sotto pressione 2 che riceve il fascio di pompaggio e il cui gas è eccitato da questo fascio in modo tale che esso emetta, per effetto Raman, un fascio F^ con uno spostamento di frequenza e che vi sia un trasferimento d'energia dal fascio di pompaggio verso il fascio
- una sorgente luminosa di comando quale un diodo laser di comando 3, comandato da un circuito A e che emette verso la cella a gas 2 un fascio di comando Fc ad una lunghezza d'onda sostanzialmente uguale a quella del fascio
- due specchi M1 e M2 situati da una parte e dall'altra del laser 1 e della cella 2, costituendo una cavita ottica.
La barretta laser permette di realizzare un laser di potenza che emette ad una lunghezza d'onda pericolosa per l'occhio umano. Questo tipo di laser è corrente nella tecnica a motivo delle elevate potenze che è suscettibile di emettere. Per esempio, si tratta di un laser YAG al Neodimio (Nd:YAG) che emette ad una lunghezza d'onda
1,064-micrometri.
La cella di gas sotto pressione 2 contiene un gas quale metano (CH^) che permette di ottenere a partire da un fascio di pompaggio di lunghezza d'onda 1,064 micrometri, un fascio di lunghezza d'onda = 1,54 micrometri.
Il diodo laser 3 emette un fascio di comando
di lunghezza d'onda sostanzialmente uguale alla lunghezza d'onda = 1,54 micrometri. Il fascio di comando Fc ed il fascio di pompaggio F penetrano nella cella a gas 2 in modo sostanzialmente colineare attraverso una faccia trasparente 20 della cella a gas. Essi percorrono la cella 2 secondo un asse principale della cella stessa e tornano ad uscire attraverso una faccia trasparente 21 opposta alla faccia 20. Il fascio F uscente dalla cella 2 raggiunge lo specchio M1 ove si riflette e ritorna in senso inverso verso lo specchio M2. Cosi, la cavita realizzata dagli specchi ΙΊ1 ed M2 permette di beneficiare della forte densità di potenza intracavitaria e, con il passaggio multiplo nella cavità, di ottenere un'efficacia di conversione.
Nella cella a gas sotto pressione il processo d'evoluzione dell'onda Raman può essere rappresentato dalla relazione:
valida in regime di debole conversione e corrispondente al caso in cui il processo non lineare si instaura. I diversi parametri rappresentano: as: coefficiente d'assorbimento a ws L: distanza di propagazione nella cella a gas 2 coefficiente di guadagno Raman del mezzo gassoso della cella potenza di pompaggio incidente nella cella superficie effettiva sulla quale si sviluppa l'effetto non lineare
lunghezza effettiva dell'interazione non lineare che tiene conto delle perdite alla lunghezza d'onda di pompaggio : la potenza dell'onda Stokes in funzione della distanza della propagazione nella cella Raman
rappresenta in questo caso la potenza incidente che dà inizio al processo non lineare.
In assenza di fascio di comando iniettato alla lunghezza d'onda Stokes, il meccanismo in trasferimento è generato a partire dal rumore nella cavità e per amplificazione dei fotoni Stokes spontanei presenti nella cavità.
Questa potenza può essere controllata. A
tal fine il fascia di comando Fc alla lunghezza d'onda Stokes viene iniettato nella cavità ed amplificato.
Un diodo laser 3 del tipo InGaAsP che fornisce il fascio di comando permette di comandare il processo di trasferimento d'energia dall'onda di pompaggio (Nd:YAG) verso l'onda di segnale F£. A tal fine basta accoppiare all'oscillatore Raman un'onda uscente dal diodo laser della stessa frequenza dell'onda Stokes e simbolizzata dal termine nella relazione (1).
La figura 2 rappresenta un secondo esempio di realizzazione nel quale la cavità ottica, delimitata dagli specchi M1 e M2, contiene il laser 1, ma non contiene la cella a gas 2. Questa si trova sul percorso del fascio di pompaggio ma all'esterno della cavità ottica, e l'amplificazione Raman nella cella a gas 2 è dunque realizzata a partire dall'esterno della cella attiva.
Questa disposizione permette di rendere il fascio di comando strettamente colineare con il fascio di pompaggio senza che sia abbia da temere un ritorno ottico sul diodo laser 3, come potrebbe invece avvenire nel dispositivo della figura 1 se i fasci di comando e di pompaggio
fossero strettamente colineari.
La sovrapposizione del fascio di comando e del fascio di pompaggio può essere effettuata, come è rappresentato nella figura 2 e 3, con l'aiuto di una lama separatrice disposta sui percorsi dei fasci di pompaggio e di comando F^, e convenientemente orientata rispetto ai fasci stessi.
Il fascio di comando può essere così iniettato utilizzando la riflessione sulla faccia del cristallo laser 1 tagliata all'angolo di Brewster per la lunghezza d'onda di pompaggio (vedasi la figura 4).
Un altro sistema d'accoppiamento consiste nell'impiegare una fibra attica unimodale 5 a conservazione di polarizzazione (figura 5), All'estremità di questa <■>Sitrova un'ottica che permette di regolare la dimensione del fascio su quella del modo di cavità nella cella Raman.
Nelle figure 6 e 7 sono rappresentate le evoluzioni della potenza Stokes in funzione della distanza di propagazione o dell'ampiezza del segnale iniettato a potenza di pompaggio di cresta costante.
La figura 6 rappresenta la potenza Stokes in punti diversi della cella per un fascio di pompaggio con potenza di cresta di e di lunghezza d'onda = 1,064 micrometri e per un fascio di comando molto debole se non addirittura senza fascio di comando. In questa figura si vede che per una cella di 20 cm di lunghezza il segnale Stokes è irrilevabile per un percorso della cella di 8 cm e che all'uscita della cella (20 cm di percorso) il segnale Stokes rimane molto debole. All'uscita della cella vi è dunque stato solo un trasferimento di energia insignificante.
Per contro, la figura 7 rappresenta un funzionamento del dispositivo dell'invenzione con un fascio di comando di potenza e di lunghezza d'onda = 1, 54 micrometri. Il fascio di pompaggio F ha, come prima, una potenza
P
ed una lunghezza d'onda = 1,06 micrometri.
In questa figura 7 si osserva l'effetto di comando e di inizializzazione del processo di trasferimento della potenza di pompaggio verso l'onda Stokes. Per un percorso nella cella di 4 cm, un'onda Stokes è già rivelabile. Per un percorso nella cella di 20 cm, si osserva un'onda Stokes sostanzialmente di 0,4 MW. Un trasferimento di potenza dall'onda di pompaggio verso l'onda Stokes si è dunque verificato in modo sensibile. In questo e— sempio l'onda di pompaggio presenta un profilo temporale e spaziale gaussiano.
Nell'approssimazione del debole trasferimento, il guadagno varia linearmente con la potenza di pompaggio e si pub scrivere, facendo astrazione dell'assorbimento, che l'energia dell'impulso Stokes segue una legge del tipo:
jj
ove rappresenta rispettivamente le superfici effettive dei fasci di pompaggio e Raman, mentre è l'energia iniettata nella cavità.
L'energia trasferita sarà massima quando le superfici effettive delle onde di pompaggio e Raman saranno adattate (superficie e profilo identici). In una cavità del tipo semiconfocale è possibile disporre la cella in un punto adatto per realizzare questa condizione. Rimane dunque soltanto più da ottimizzare la distribuzione spaziale d'intensità dell'onda di segnale proveniente dal diodo laser.
Il comando esterno permette di realizzare una sorgente impulsiva più stabile come potenza di cresta e più riproducibile da un funzionamento ad un a11ro.
La figura B rappresenta diagrammi di ripartizione nel tempo dei diversi fasci (fascio di pompaggio, fascio di comando, fascio d'uscita).
Il diagramma superiore della figura 8 rappresenta un impulso del fascio di pompaggio avente un profilo gaussiano.
Nella trasmissione di questo impulso vengono trasmessi impulsi del fascio di comando a
Si ottengono allora, come è rappresentato nel diagramma inferiore della figura 8, impulsi d'usci¬
a che corrispondono agli impulsi a
che risultano da trasferimenti d'energia provenienti dal fascio di pompaggio.
Il profilo impulsivo del fascio d'uscita risulta dunque dal profilo impulsivo del fascio di comando. Si possono dunque posizionare gli impulsi d'uscita, come si desidera, gli uni rispetto agli altri.
Una tale possibilità concorre dunque all'ottenimento di un sistema laser che permette di generare treni di impulsi comandabili dal diodo laser 3, riconfigurabili da un tiro all'altro e che consentono l'impiego di tecniche di trattamento dei segnali.
A titolo d'esempio, l'impulso di pompaggio può avere una durata, per esempio, da 10 a 20 nanosecondi^ gli impulsi di comando (e dunque impulsi d'uscita) possono avere durate di circa un nanosecondo.
In più, la situazione degli impulsi di comando rispetto al profilo gaussiano dell'impulso di pompaggio permette di ottenere impulsi d'uscita di ampiezza più o meno elevata. Così, è possibile modulare la potenza di emissione del fascio d'uscita. Ciò permette, ad esempio in un sistema di rivelazione, di adattare la potenza di emissione alla distanza dell'oggetto da rivelare in modo da evitare l'abbagliamento del sistema di rivelazione ad opera di una potenza troppo elevata ricevuta di ritorno.
In quanto precede il campo coperto riguarda i laser di potenza che lavorano nella finestra di 1,5 Mm, tale lunghezza d'onda essendo ottenuta a partire dall'effetto Raman stimolato.
Il laser di pompaggio è un laser Nd ; YAG di potenza che può essere pompato da diodi laser. Nella sua cavità si trova una cella riempita di un gas sotto alta.pressione. Per effetto Raman stimolato si osserva un trasferimento di potenza dall'onda di pompaggio verso l'onda Stokes, ove lo spostamento di frequenza è governato dalla proprietà spettrale della curva di guadagno Raman del mezzo non lineare.
Generalmente, il trasferimento è ottenuto a partire dall'amplificazione di un rumore alla frequenza Stokes, oppure il mezzo presenta una risonanza. In questo caso le proprietà spettrali dell'onda Stokes emessa sono collegate direttamente alla selettività di un risuonatore o della cavità.
Secondo una variante di realizzazione dell'invenzione si prevede di sostituire il diodo laser 3 con una sorgente laser 41 pompata da un diodo laser 42. Una configurazione di questo genere è rappresentata nella figura 9.
Questa variante di realizzazione è applicabile particolarmente bene all'emissione di fasci di potenza di lunghezze d'onda differenti.
Così, per il laser di pompaggio 1 si può utilizzare una sorgente di potenza a base di fluoruro di Ittrio drogato con olmio nota sotto la designazione Ho : YLF. La lunghezza d'onda di emissione di una tale sorgente è di 1,396 micrometri. La cella a gas 2 è a base di metano (CH^) sotto alta pressione. Un fascio di pompaggio emesso dal laser di pompaggio 1 provoca per effetto Raman l'emissione di un'onda Stokes della lunghezza d'onda di 2,355 micrometri. Per la sorgente di comando 4 si sceglie allora una sorgente 41 a base di Tallio che droga una matrice la cui designazione può essere Tm : ove è un Co drogante). Questa sorgente laser può essere pompata longitudinalmente a partire da un diodo laser 42 che emette tra 0,71 e 0,8 micrometri. Il fascio di comando Fc ha allora una lunghezza d'onda di circa 2,455 micrometri. Si realizza dunque un comando dell'effetto Raman nella cella a gas 2.
L'onda ottenuta per effetto Raman presenta il vantaggio di essere situata in un campo spettrale ove la finestra di trasmissione dell'atmosfera è trasparente. Una tale associazione permette dunque di realizzare una sorgente di potenza a 2,355 mi— crometri. .
Un'altra realizzazione consiste nell'impiegare un laser Nd : YAG che emette a 1,3187 micrometri e di una cella Raman a base di idrogeno sotto pressione che fornisce un'onda Stokes alla lunghezza d'onda - di 2,916991 micrometri.
La sorgente laser 41 è allora una sorgente a base di Qlmio che droga un materiale (designata con Questa sorgente 41, eccitata da un diodo laser, emette ad una lunghezza d'onda di circa 2,918 micrometri.
La regolazione delle due lunghezze d'onda e si effettua per il tramite di un controllo della composizione del gas della cella Raman (pressione, temperatura, miscela ...) e agendo sui parametri della cavità laser del cristallo Ho : YAID^.
invenzione
La presente /descrive un sistema di comando della generazione del processo di emissione dell'onda Stokes a partire da una sorgente esterna. Il comando di questo trasferimento è realizzato a partire da un diodo laser. I fotoni emessi da questo diodo sono accoppiati tramite una riflessione in seno alla cavità. Una sincronizzazione dello sblocco del laser Nd i YAG e del diodo laser permette un'ottimizzazione dell'efficacia di conversione.
L'impiego di un diodo laser presenta certi vantaggi, in particolare nella vicinanza di 1,5 Hm, poiché esistono sorgenti del tipo DFB monofrequenza che permettono di iniettare nel mezzo amplificatore (composto dal laser Nd : YAG e dalla cella Raman o dalla sola cella) un'onda di segnale di piccola larghezza spettrale che sbloccherà il processo di emissione stimolato Raman. Le qualità del fascio sono altresì migliorate da un controllo della distribuzione spaziale del fascio di comando (vale a dire del diodo laser e dell'ottica di trattamento del fascio associata).
Le applicazioni possibili riguardano la realizzazione di sistemi d'illuminazione laser e di telarnetria.
I diversi oggetti e caratteristiche che precedono sono stati dati soltanto a titolo di esempio non limitativo e si possono escogitare altre varianti senza uscire dall'ambito dell'invenzione. Gli esempi numerici e gli esempi di materiali utilizzati sono stati forniti soltanto per illustrare la descrizione.
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Sorgente laser di potenza, caratterizzata dal fatto che comprende: - una sorgente laser di pompaggio (1) che emette un fascio di pompaggio di una lunghezza d'onda determinata- una cella a gas sotto pressione (29)che riceve il fascio di pompaggio ed emette per effetto Raman un fascio di uscita di una lunghezza d'onda denominata onda di Stokes? - una sorgente luminosa di comando (3) che trasmette un fascio di comando (Fc ) alla cella a gas, tale fascia di comando avendo una lunghezza d'onda sostanzialmente uguale all'onda di Stokes
- 2. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che il fascio di pompaggio ed il fascio di comando sono sostanzialmente colineari.
- 3. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto che il fascio di pompaggio ed il fascio di comando penetrano attraverso una stessa faccia (20) nella cella a gas sotto pressione (2). A.
- Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che la sorgente laser di pompaggio (1) e la cella a gas sotto pressione (2) sono comprese in una cavità ottica realizzata con .. due mezzi riflettenti (ΙΊ1, M2).
- 5. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che salo la sorgente laser di pompaggio (1) è compresa in una cavità ottica realizzata con due mezzi riflettenti (Ii1, M2)
- 6. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la sorgente laser di pompaggio è a base di Neodimio.
- 7. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la cella a gas sotto pressione (2) contiene metano
- 8. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che la sorgente luminosa di comando (3) è un diodo laser del tipo In Ga As P.
- 9. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che la sorgente luminosa di comando comprende una sorgente laser (V1) pompata da un diodo laser (42).
- 10. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che la sorgente laser di pompaggio (1) è una sorgente laser a base di granato di Ittrio drogato con Neodimio (Nd : YAG).
- 11. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che: - la sorgente laser di pompaggio (1) è a base di fluoruro di Ittrio drogato con Olmio- la cella a gas (2) è a base di metano (CH^) sotto pressione; - la sorgente luminosa di comando comprende una sorgente a base drogato con Talio e pompata da un diodo laser.
- 12. Sorgente laser di potenza secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che: - la sorgente laser di pompaggio {1)è un granato di Ittrio drogato con Neodimio (Nd : YAG); - la cella a gas (2) contiene idrogeno sotto pressione; - la sorgente luminosa di comando (4) comprende una sorgente a base di drogato con Olmio e pompata da un diodo laser.
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