ITFI980130A1 - Sorgente laser e metodo di filtraggio per ottenere una buona qualita' ottica da fascia di sezione anulare - Google Patents

Description

"SORGENTE LASER E METODO DI FILTRAGGIO PER OTTENERE UNA BUONA QUALITÀ OTTICA DA FASCI DI SEZIONE ANULARE"

DESCRIZIONE

L'utilizzo di scariche capacitive a Radio Frequenza per l'eccitazione di laser a gas raffreddati per diffusione del calore, ha prodotto una totale innovazione nella progettazione e nello sviluppo di sorgenti laser a gas (in particolare CO e CO2). Con queste tecniche è infatti possibile eccitare efficientemente, con scarica elettrica, volumi di gas caratterizzati da dimensioni molto grandi in due direzioni ed estremamente sottili nella terza direzione, in modo tale da rimuovere con grande efficacia il calore verso le superfici più ampie. In questo modo si ottiene la possibilità di caricare il gas con densità di potenza dieci volte maggiori rispetto a quelle delle scariche convenzionali in continua.

Questa proprietà assieme alla possibilità di esercizio sigillato o semi-sigillato, e l'opportunità di impulsare la scarica fino a frequenze di ripetizione dell'ordine del 10 kHz, ha reso queste sorgenti estremamente vantaggiose rispetto alle altre tecnologie realizzative per laser di potenza medio-alta. Infatti la scalatura verso alte potenze è ottenuta semplicemente accrescendo la superficie di scarica, in maniera molto più economica di quanto non avvenga ad esempio nel caso delle sorgenti a flusso veloce del gas. Ad oggi sono state realizzate sorgenti sigillate fino a potenze medie dell'ordine di 500 W e semi-sigillate fino a potenze dell'ordine dei 2kW, quindi di interesse in campo industriale.

I vantaggi e le proprietà di queste sorgenti sono riassunte nella referenza H.Baker, D.R. Hall "Area sealing boosts C02-Laser performance" Laser Focus World, p.77-80, october 1989. Gli schemi tipici di scarica per questi sistemi adottano una geometria planare od una geometria anulare. Il modo per costruire laser di tipo planare è stato indicato in diversi brevetti a'partire da J.Tulip U.S. Pat. 4,719,649 e H.Opower EU.Pat. 0 305 893 Bl. Laser anulari sono invece noti a partire da S.Yatsiv U.S. Pat. N. 4,847,852.

Altri brevetti (J.A.Macken U.S. Pat. N. 4,755,999 e J. A. Macken et al U.S. Pat.N. 5,528,613) hanno del resto insegnato che anche con scariche elettriche basate su differente tecnologia, si possono utilizzare vantaggiosamente le geometrie planare od anulare del mezzo otticamente attivo al fine di raffreddarlo per diffusione del calore. Nel brevetto N. 4,755,999 una scarica in continua stabilizzata da un campo magnetico viene usata al posto della scarica capacitiva a Radio Frequenza precedentemente citata; mentre nel brevetto N. 5,528,613 le stesse geometrie sono adottate per un mezzo attivo gassoso eccitato dalla combinazione di una scarica in continua ed una ad alta frequenza.

Va infine osservato che anche nel caso dei laser a stato solido (o liquido) la rimozione del calore è un problema importante. Infatti alte temperature nel materiale otticamente attivo conducono a deformazioni che riducono la qualità del fascio estratto, o addirittura provocano fratture del materiale. Le soluzioni considerate in questo documento sono quindi di interesse tanto per laser a gas che per laser a stato solido. Infatti per ottenere buoni risultati da queste nuove geometrie è necessario risolvere dei problemi tecnici non banali, quale ad esempio l’estrazione di un fascio di buona qualità ottica da una regione di mezzo attivo molto sottile, quindi con una sezione trasversa molto diversa da quella tradizionale. L'uso dei consueti risonatori ottici (come sono descritti ad esempio nel libro di A.E. Siegmann, "Lasers", University Science books, Mill Valley California, 1986) diventa dunque impossibile. L'estrazione di un fascio di buona qualità ottica (ovvero ben focalizzabile) è di fatto estremamente importante in quanto l'utilizzo di una buona focalizzazione è ben più efficace dell'utilizzo di una maggiore potenza complessiva, nella gran parte delle applicazioni.

I laser anulari sono in linea di principio avvantaggiati rispetto a quelli planari per contenimento delle dimensioni globali e delle ottiche; tuttavia per essi si dimostra ancora più complicato ilproblema dell'estrazione di un fascio di buona qualità ottica.

Ad esempio l'uso di un risonatore ibrido stabileinstabile adottato utilmente nell'U.S. Pat. N. 4,719,639 e nel B.E. N. 0305 893 per la geometria planare ed applicato nell'U.S. Pat. N. 5,353,299 per quella anulare, prevede in quest'ultimo caso l'utilizzò di ottiche di difficile costruzione e conseguentemente estremamente costose.

Una vantaggiosa soluzione a questo problema consiste nell 'utilizzo di un risonatore in cui la selezione della distribuzione di campo in direzione trasversa alla direzione di propagazione del fascio ( modo trasverso del risonatore) è operata per mezzo di tecniche basata sull'effetto Talbot. Questa scelta è ad esempio adottata nella domanda di brevetto DE N. 4.325.063.

II principio di Talbot insegna che distribuzioni periodiche di campo Elettro-Magnetico (E.M.) con periodo spaziale trasverso pari a d si ricostruiscono (esattamente, in teoria, se il campo ha dimensioni trasverse infinite, approssimativamente nel caso reale) a distanze multiple intere della cosiddetta distanza di Talbot (DT);

ove λ è la lunghezza d'onda del campo E.M.

Dunque ricavando una funzione periodica di apertura in una cavità di lunghezza pari a mezza distanza di Talbot, si ottiene la ricostruzione del campo in un giro di risonatore, ovvero la selezione con basse perdite per diffrazione di un modo trasverso della cavità ottica. La funzione periodica nel risonatore per la geometria anulare può essere realizzata mediante un filtro in cavità con una serie di aperture allineate sull'anello. In particolare questa struttura può essere ottenuta direttamente per incisione sullo specchio di uscita del laser. Quanto esposto fino a questo punto è insegnato già nella domanda di brevetto tedesco suddetta. Questo suggerisce però di realizzare le aperture di dimensioni più possibile vicine alla periodicità del filtro, ovvero di ridurre al minimo le zone di ostruzione del filtro, al fine di minimizzare le perdite della cavità.

Va però considerato che quanto insegnato nella suddetta domanda di brevetto tedesco non assicura affatto l'estrazione di un fascio di buona qualità ottica. Infatti accade che usando cavità di lunghezza D, / 2 ci si ritrova con la possibilità di estrarre modi di campo E.M. con lobi contigui con uguale fase o con fase opposta. Tipicamente il modo in contro-fase (quello con lobi vicini di fase opposta) è leggermente avvantaggiato, ma piccoli spostamenti dei parametri della cavità fanno passare da un modo all'altro. Il modo con lobi contigui in controfase, del resto, ha di per se una cattiva qualità di focalizzazione, poiché produce un campo lontano ad anello, ovvero forato al centro.

Esiste la possibilità di estrarre a basse perdite il solo modo con lobi contigui in controfase per lunghezze di cavità multiple dispari di Dt / 4. In questo caso si può far uso di un'ottica fuori dalla cavità per rifasare i lobi con il risultato di avere sempre un modo in fase. Le lunghezze di cavità (d'ora in avanti indicate con il simbolo L) suggerite dalla suddetta domanda di brevetto tedesca N. 4.325.063 sono espresse dalla seguente formula:

viceversa le cavità che qui vengono suggerite hanno lunghezze espresse dà:

dove le grandezze hanno lo stesso significato che è stato dato nella equazione (1).

Inoltre è importante notare che, avere un modo puro (ovvero con una distribuzione azimutale molto vicina ad un andamento sinusoidale), rifasato come detto precedentemente od in generale ottenuto con piccoli oscuramenti periodici dell'apertura anulare come indicato nella domanda di brevetto tedesca suddetta, permette la concentrazione soltanto di una parte dell'energia nel lobo centrale del campo a grande distanza dalla sorgente (ovvero anche nel piano focale di un'ottica di focalizzazione). Infatti soltanto una frazione dell'energia del fascio è in questo modo trasferita nel modo fondamentale dell'anello (il modo con distribuzione azimutale uniforme). Questa frazione è tipicamente dell'ordine del 50-70%, con la restante frazione dell'energia contenuta in modi di ordine più alto, in virtù delle alte frequenze spaziali ancora presenti in questa distribuzione di campo.

E' infine noto che l'andamento di tipo sinusoidale sulla direzione azimutale costituisce una autofunzione del campo E.M., cioè una distribuzione di campo che si propaga inalterata in questa direzione trasversa. Nel caso invece di distribuzioni periodiche non armoniche (cioè non di tipo sinusoidale) in direzione azimutale, la diffrazione determina delle sensibili modificazioni anche in questa direzione (si veda A.LAPUCCI, F.Quercioli, D.Jafrancesco, "Optimal phase filtering for high-power laser array far-field distribution" , Opt.Lett,18(20), pp.1694-1696, 1993) producendo una maggiore uniformità di campo a certe determinate distanze. Il rifasamento può allora essere più vantaggiosamente operato a distanza dal piano di uscita dalla cavità ottica; distanza dove si è ottenuta una certa uniformizzazione del campo per effetto della diffrazione, come indicato nel testo del 1993 ora citato, come mostrato in Fig. 2, dove in particolare si evidenzia la differenza nel confronto fra il campo F ed il campo B.

Nella presente invenzione viene fornito un metodo per innalzare la qualità ottica del fascio estratto da un laser a sezione anulare oppure da una schiera (array) di laser allineati su di un cerchio.

Il metodo consiste nell'adottare una sorgente laser caratterizzata da una emissione su lobi disposti sull'anello in modo tale che le zone buie dell’anello siano di spessore non trascurabile in direzione tangenziale (detta azimutale nella letteratura sui fasci laser), ed in particolare che dette zone buie interessino un'area pari a circa il 10-30% dell'anello. Tale emissione può essere ottenuta, ad esempio, mediante cavità di Talbot con un mezzo che oscuri una parte della cavità in ragione della frazione suddetta del 10-30%.

Il metodo si basa poi sul porre un mezzo rifasatore alla distanza a cui i lobi hanno ditratto in modo tale da aver coperto le zone buie ovvero in modo tale da avere reso più omogenea l'illuminazione dell'anello, in particolare nella direzione tangenziale. Il mezzo rifasatore avrà uno spessore variabile a gradini che determina una differenza di cammino ottico fra lobi contigui, ovvero un ritardo di fase fra questi lobi. Tale ritardo ha tipicamente un valore vicino a π (corrispondente ad una differenza di cammino ottico pari a λ/2) se la sorgente emette radiazione con lobi contigui in contro-fase, ed un valore vicino a π/2 (corrispondente ad una differenza di cammino ottico pari a λ/4) se la sorgente emette inizialmente con lobi tutti di uguale fase. In realtà, lo spessore ottimale, così come la distanza ottimale di collocazione del mezzo rifasatore, dovrà essere calcolato per mezzo di metodi numerici - con l'ausilio di un calcolatore - in funzione delle dimensioni della sorgente ed in particolare della porzione di sezione anulare oscurata. Più in generale il mezzo rifasatore tenderà ad annullare la modulazione di fase a quella distanza in cui la propagazione ha minimizzato la modulazione di ampiezza.

Un primo oggetto dell'invenzione è un metodo per la elaborazione di un fascio onde ottenerne una concentrazione, nel quale è previsto un rifasamento a distanza del fascio emesso da laser o array di laser con uscita in geometria anulare con rapporto fra la dimensione in direzione azimutale (cioè tangenziale) delle aperture e con periodicità delle aperture minore di 1.

La periodicità delle aperture può essere compresa nell'intervallo fra 0.7 e 0.95.

Il metodo prevede vantaggiosamente l'impiego di un laser anulare con un filtro periodico in cavità avente parametro (filling factor) A ≈ 0.7 ÷ 0.95 ed una superficie rifasante a distanza 6F dell'ordine ad esempio di poche diecine di cm per periodicità di qualche mm e lunghezza d'onda di circa 10 micron, in cui le variazioni di ampiezza del campo emesso sono minime e quelle di fase massime, δF essendo da determinare in funzione di Δ, ed

al variare di Δ (Filling factor) cambiando la distanza ottimale dove porre il rifasamento.

Un altro oggetto dell'invenzione è una sorgente laser per ottenere fasci di energia laser concentrati, la quale comprende una emissione laser a sezione anulare suddivisa a lobi con zone buie di spessore - in direzione tangenziale - la cui somma è compresa fra il ed il 30% dello sviluppo anulare, ed un mezzo ottico modulato per rifasamento dei lobi attraverso una variazione alternante da lobo a lobo del cammino ottico nel percorso che determina la concentrazione dei fasci.

La sorgente laser in questione può comprendere un filtro di Talbot per la suddivisione a lobi.

In una forma di realizzazione può essere prevista una lamina ottica con indice di rifrazione diverso da quello del mezzo normale di propagazione (per lo più aria) , la quale lamina ottica presenta almeno su una delle sue superfici una modulazione di spessore che corrisponde ai lobi di energia da rifasare per variazione di cammino ottico.

In un'altra forma di realizzazione può essere previsto un sistema di compressione del fascio a due superfici riflettenti coniche o toroidali, il quale sistema presenta almeno una od ambedue dette superfici riflettenti modulata a scalini, per ottenere una variazione di percorso dei raggi dei vari lobi e così il loro rifasamento.

Il mezzo rifasatore può essere disposto ad una distanza (6F) dal filtro periodico, tale da ottenere una illuminazione anulare sostanzialmente omogenea per effetto della diffrazione dei detti lobi.

Adottando un sistema di compressione del fascio a due superfici riflettenti coniche o toroidali, una od ambedue le dette superfici riflettenti sono modulate nello spessore a gradini o non, per appiattire la modulazione di fase dovuta allo sfasamento fra i lobi ed alla propagazione.

L'emissione voluta sui lobi debitamente separati e sfasati è ottenuta con lunghezza della cavità secondo formula

L'invenzione ‘verrà meglio compresa seguendo la descrizione e l'unito disegno, il quale mostra una pratica esemplificazione non limitativa dell'invenzione stessa. Nel disegno:

Figg. 1A, 1B e 1C mostrano uno schema di laser anulare di tipo noto in sezione longitudinale, in vista secondo IB-IB di Fig. 1A ed in un particolare ingrandito di Fig. 1B;

Fig. 2 mostra grafici del riaggiustamento di fase su diverse distribuzioni di campo, con direzione trasversa (azimutale) in ascisse, ed ampiezza di campo in ordinate;

Figg. 3A, 3B, 3C mostrano una prima realizzazione dell'invenzione, con impiego di una lamina attiva per differenza di indice di rifrazione;

Figg. 4A, 4B, 4C, 4D mostrano una realizzazione dell'invenzione con modulazione ottenuta con variazione di percorso ottico per riflessione;

Figg. 5A, 5B, 5C mostrano una ulteriore realizzazione analoga a quella della Figg.4A a 4D;

Fig. 6 mostra ancora una realizzazione analoga alle precedenti ;

Fig. 7 mostra a confronto i miglioramenti di campo ottenibili con sorgente anulare periodica, nei vari casi; e

Fig. 8 mostra grafici a confronto per vari casi.

Nelle Figg. 1A e 1B è illustrata la tecnica precedente. Vi è rappresentato schematicamente un laser anulare con un filtro di Talbot in cavità, come insegnato da S. Anikitchev et al nel DE Pat. Appi. N.·4.325.063 1993, ed un sistema ottico di compressione del fascio basato su axicon. Sono indicati: con 1 uno specchio totalmente riflettente, con 2 una zone di guadagno ottico a sezione anulare, con 3 un filtro di Talbot in cavità, con 4 uno specchio semiriflettente di uscita, con 5 una prima superficie conica (o toroidale) esterna di compressione del fascio e con 6 una seconda superficie conica (o toroidale) di ricollimazione del fascio che esce come fascio FR. in Fig. 1B, che è una vista frontale del filtro Talbot 3, si notano le aperture 3A più ampie possibile come insegnato nel DE Pat. 4.325.063. Con d è indicato il passo azimutale cioè tangenziale delle aperture 3A, con a la dimensione tangenziale delle aperture 3A, e con b la dimensione radiale delle stesse, con r essendo indicato il raggio massimo delle aperture 3A.

La Fig. 2 è una dimostrazione schematica dell'effetto del riaggiustamento di fase su diverse distribuzioni di campo, in una trattazione che considera una sola direzione trasversa (azimutale) alla direzione di propagazione. A è una distribuzione armonica (sinusoidale) di campo (ovvero un modo puro) e B la distribuzione che si ottiene rifasando i lobi di posto pari rispetto a quelli di posto dispari; C è una distribuzione non armonica di campo (come si ottiene con aperture ridotte del filtro di Talbot in cavità); D è quello che si ottiene rifasando questo campo. E è una rappresentazione della distribuzione C propagata per una distanza dell'ordine di un quarto della distanza di Talbot; ed F è la distribuzione ottenuta rifasando la distribuzione E; il risultato è che la distribuzione F ha più contenuto di modo .fondamentale (campo uniforme rispetto alla coordinata considerata) che non la distribuzione B.

Le Figg. 3A, 3B, 3C illustrano schematicamente una prima realizzazione dell'invenzione. Sono indicati: con 11 lo specchio totalmente riflettente, con 12 la zona di guadagno ottico a sezione anulare, con 13 il filtro di Talbot in cavità, con 14 lo specchio semiriflettente di uscita. Con 15 è indicata la prima superficie conica (o toroidale) di compressione del fascio e con 16 la seconda superficie conica (o toroidale) di ricollimazione del fascio FR. Con 17 è indicata una lamina o finestra trasparente con profilo superficiale modulato ovvero con indice di rifrazione modulato, per comunque differenziare il cammino ottico dei lobi che costituiscono il fascio laser, in modo da rifasarli. I componenti 15, 16, 17 sono a distanza 5F dallo specchio di uscita 14 del risonatore del laser. Nella Fig. 3B, che è la vista frontale secondo IIIB-IIIB di Fig. 3A del filtro di Talbot 13, si notano le aperture 13A di dimensione tangenziale a e di periodo d, che ottimizzano il filtraggio di fase; La Fig. 3C è la vista frontale della finestra 17, che precede l'axicon. Una delle due superfici della finestra ha spessore modulato periodicamente, per differenziare il cammino ottico dei diversi lobi del campo elettromagnetico. Le due zone di spessore differente sono differenziate, nel disegno, con zone tratteggiate e zone bianche. ;

Le Figg. 4A a 4D illustrano schematicamente una seconda realizzazione dell'invenzione. Sono indicati: con 21 lo specchio totalmente riflettente, con 22 la zona di guadagno ottico a sezione anulare, con 23 il filtro di Talbot in cavità, con 24 lo specchio semiriflettente di uscita, con 25 la prima superficie conica (o toroidale) di compressione del fascio, con 25 la seconda superficie conica (o toroidale) di ricollimazione del fascio. I componenti 25 e 26 sono a distanza 6F dallo specchio di uscita 24 del risonatore del laser. La Fig. 4B è una vista frontale del filtro di Talbot 23 con le aperture 23A di dimensioni a ed il periodo d che ottimizzano il filtraggio di fase. La Fig. 4C è una vista frontale dell'axicon; la prima superficie riflettente ha spessore modulato periodicamente, come si vede in 25M, specialmente nel dettaglio ingrandito (e sproporzionato nello spessore, per chiarezza di disegno) della Fig;. 4D. Con ciò si ottiene una variazione di percorso ottico.

Una disposizione analoga a quella della Fig.4A può prevedere la superficie riflettente modulata sul componente 26 anziché sul componente 25.

Le Figg. 5A a 5E illustrano schematicamente una terza realizzazione dell'invenzione. Sono indicati: con 31 lo specchio totalmente riflettente, cori 32 la zona di guadagno ottico a sezione anulare, con 33 il filtro di Talbot in cavità, con 34 lo specchio semiriflettente di uscita; con 35 la prima superficie conica (o toroidale) di compressione del fascio, con 36 la seconda superficie conica (o toroidale) di ricollimazione del fascio FR. I componenti 35 e 36 sono a distanza δF dallo specchio di uscita 34 del risonatore laser. Nella Fig. 5B (vista frontale del filtro di Talbot 33) sono illustrate le aperture 33A con dimensioni a ed il periodo d che ottimizzano il filtraggio di fase. Nella Fig. 5C la vista frontale dell'axicon mostra la seconda superficie riflettente 36A che ha spessore 36M modulato periodicamente, in modo analogo alla superficie 25M della realizzazione precedente .

E' evidente che una ulteriore possibile realizzazione, non riportata in disegno, può prevedere l'utilizzo dell'axicon prima della finestra di filtraggio. Inoltre coloro i quali sono esperti del settore sapranno che possono essere utilizzati differenti schemi di compattazione del fascio in direzione radiale. Ad esempio possono essere utilizzati componenti conici toroidali in trasmissione invece che in riflessione, o può essere ripiegato il cammino ottico utilizzando i cosiddetti W-axicon. Ovviamente queste variazioni non si allontanano dal concetto principale dell'invenzione.

In Fig. 6 è schematicamente rappresentata un'ulteriore realizzazione dell'invenzione. Per dare maggiore evidenza alle varie fasi di trasformazione del fascio ottico la figura è riferita a axicon con angolo di apertura (a nella figura) di 45°; resta evidente tuttavia che un maggiore angolo di apertura risulta generalmente vantaggioso anche se non rende altrettanto chiaro il meccanismo di funzionamento di questo schema.

Nello schema di Fig., 6 il fascio rimbalza due volte sulle superfici 52a, 5!a, 52b, 5lb coniche (o toroidali, come qui è illustrata la prima superficie riflettente) attuate dai due componenti 51 e 652; in questo modo già si ottiene un vantaggio in termini di ingombro del sistema ottico adibito a compattazione e rifasamento dei lobi. Al tempo stesso, a seguito della prima riflessione il fascio si propaga sul cammino C3 avendo dimensioni più piccole e dunque raggiungendo la condizione ottimale per il rifasamento a distanza δF" minore di δF'. Il rifasamento può essere quindi operato utilmente sulla porzione 52b dell'axicon 52 e/o sulla porzione 51b dell'axicon 51. Il componente 52 (come anche il componente 51) può avere una o ambedue le porzioni 52a e52b (rispettivamente 51a, 51b) della superfici riflettenti toroidali anziché coniche, come è disegnata la porzione 52a. Con questa disposizione si possono controllare sia le dimensioni che la divergenza radiale del fascio. In Fig. 6 una curvatura concava (toroidale) della porzione di superficie riflettente 52a del componente 52 è utilizzata per ricollimare radialmente il fascio anulare.

Nella Fig. 7 sono illustrati esempi di miglioramento del campo ottenibile da una sorgente anulare periodica. In Fig. 7 con A è indicato il campo vicino nel caso di filtraggio di Talbot ad apertura massima come insegnato nel DE Pat. 4.326.063, E è il corrispondente campo lontano (o di focalizzazione). Con B è indicato il campo vicino nel caso di filtraggio di Talbot con:Δ = 0,8, in F è indicato il corrispondente campo lontanoi Questi due campi hanno ovviamente pessime caratteristiche di focalizzabilità. Con C è indicato il campo A rifasato da una lamina binaria di fase e G è il suo corrispondente campo lontano. D è il campo B propagato a distanza δF e qui rifasato ed H è il suo corrispondente campo lontano. Può essere apprezzata l'ottimale proprietà di focalizzazione di questo campo.

In Fig. 8 viene illustrato un grafico in cui le ascisse sono i semiangoli di diffrazione in m.rad e le ordinate sono l'energia contenuta nell'angolo solido definito dalle ascisse, per mostrare là percentuale di energia concentrata all'interno di un còno di dato angolo, riportata in grafico in funzione di detto angolo, per il campo propagato a grandi distanze ovvero focalizzato, curva 1 → caso E di Fig. 7

curva 2 → caso F di Fig. 7

curva 3 → caso G di Fig. 7

curve 4, 5, 6 → caso H di Fig. 7 per diverse distanze δF attorno all'ottimale.

Da.queste ultime curve si vede che diverse δF danno luogo a differenti distribuzioni e quindi a differenti concentrazioni di energia sul piano di focalizzazione.

Qui di seguito viene trattata una realizzazione tipica dell'invenzione.

Schemi possibili per la realizzazione dell'invenzione vengono ora descritti con riferimento a quanto indicato nelle varie Figg. 3, 4, 5, che consentono di ottenere una variazione di cammino ottico o per variazione di percorso ottico (Figg. 4, 5) o per effetto di variazione dell'indice di rifrazione lungo il cammino ottico (Fig. 3). E' comunque evidente che molte altre configurazioni della cavità laser, diverse da quella indicata - come ad esempio quelle insegnate nei brevetti U.S. 5,373,525, EU 457 061, EU 610.170 e U.S. 5,648,980 - possono produrre un fascio di uscita con le caratteristiche precedentemente indicate, su cui dunque si applica anche vantaggiosamente il metodo di filtraggio di fase di cui alla presente invenzione.

Si consideri un laser di sezione anulare e lunghezza di cavità selezionata come insegnato dalla formula 3) di cui sopra. Si consideri di aver posto in cavità un filtro (indicato come componente 13 o 23 o 33 in Figg. 3, 4 e 5) ad esempio ricavato in una lamina metallica, formato da una serie di aperture, tale che queste aperture coprano una porzione pari al 70-95% della sezione anulare nella direzione azimutale, cioè in cui esistano delle ostruzioni dell'ordine del 5-30% dell'anello.

La perdita di potenza della sorgente legata alle ostruzioni può essere mantenuta bassa grazie alla scelta operata sulla lunghezza di cavità, come dettato dall'equazione (3).

Ε' infatti dimostrato a livello teorico (A.A.Golunbentsev, V.V.Likhanskii, A.P. Napartovich, "Theory of phase locking of an array of lasers", SPIE Proc. voi. 2109, pp.205-218, 1993) che per una schiera (array nel gergo tecnico) infinita di aperture, la percentuale di perdita di campo in cavità (γ) può essere in prima approssimazione stimata per mezzo della seguente formula:

dove Δ è il rapporto a/d con a dimensione azimutale delle aperture in direzione tangenziale all'anello (azimutale) e d la periodicità delle stesse. δL è la differenza fra la lunghezza di cavità e una lunghezza di Talbot scelta secondo l'equazione (2) o (3), e Dτ la distanza di Tal-

bot. è la perdita di campo in cavità di Talbot - come definita dalle equazioni (2) o (3) - e non dipende dal rapporto Δ.

Ciò significa che ridurre la dimensione delle aperture del filtro (ovvero il "filling factor" come viene chiamato Δ nella letteratura del settore) determina una maggiore sensibilità alla lunghezza di cavità ma non influenza le perdite alla distanza di Talbot. Quanto detto fino ad ora vale in linea teorica, per un array che può essere considerato di dimensione trasversa infinita. Il laser anulare si approssima bene all'array infinito in quanto presenta condizioni a contorno (ovvero le condizioni di raccordo del campo E.M.) periodiche nella direzione azimutale (data la richiusura dell fanello) . Il pròblema della diffrazione può poi essere approssimato con una trattazione unidimensionale, ovvero che considera soltanto una direzione trasversa alla propagazione, se l'anello è grande e sottile. In questo caso infatti il comportamento del campo in direzione radiale non altera le proprietà della distribuzione azimutale del campo stesso, nelle distanze di propagazione di interesse. In formule questa condizione è espressa nel modo seguente:

dove £ è il raggio medio dell'anello, b il suo spessore, L la lunghezza di cavità e λ la lunghezza d'onda.

Si faccia propagare il fascio emesso da questa cavità per una distanza δF tale da consentire la diffrazione del campo emesso da ogni apertura, in modo tale da riempire più possibile le zone buie dell'anello (ovvero da uniformare l'illuminazione dell'anello); qui si operi il rifasamento dei lobi, per mezzo di un componente ottico che impone una differenza di cammino ottico fra lobi contigui.

Un componente ottico che svolge questo ruolo può essere realizzato in trasmissione modulando lo spessore di una finestra o lamina (come indicato nel caso del componente 17 di Fig. 3A) di indice di rifrazione n1 diverso dall'indice di rifrazione n0 del mezzo normale di propagazione (generalmente l'aria); si ottiene anche con ciò una variazione di cammino ottico.

Per laser di grande potenza, può essere più conveniente una realizzazione in riflessione, ancora modulando il profilo della superficie riflettente, e così cambiando il cammino ottico dei vari lobi costituenti il fascio estratto. Questa modulazione può essere ottenuta (Figg.

4, 5, 6) per mezzo di incisione del substrato dello specchio, oppure per deposizione successiva di strati sottili sul substrato stesso, ponendo una maschera nel processo di deposizione di uno o più degli strati sottili, così da determinare dei gradini di spessore pari alla metà (in virtù del doppio passaggio in riflessione) della differenza di cammino ottico da realizzare.

Poiché anche la dimensione radiale del fascio emesso da una sorgente è un parametro estremamente importante per realizzare una buona focalizzabilità dello stesso, nel caso di fasci anulari la focalizzazione migliora, in particolare nel caso di buona uniformità azimutale, utilizzando mezzi ottici che aumentano il rapporto b/r {con b ed r dimensione radiale e raggio medio dell'anello, come indicato in disegno, in particolare in Fig.l. In alternativa si possono utilizzare mezzi ottici che distribuiscano più uniformemente il campo sull'apertura che comprende l'anello illuminato dalla sorgente. Per questo scopo sono state generalmente adottate in quasi tutte le versioni proposte di laser anulari (ad esempio in DE Pat.

4.325.063, U.S. Pat. 5,373,525 e U.S. Pat. 5,099,492) soluzioni basate su componenti ottici nòti come axicon. Questi sono componenti ottici con superfici ottiche coniche o toroidali atti a compattare il fascio. In questo caso la presente invenzione può essere utilmente integrata in questi sistemi ottici, progettandoli in maniera tale da avere una superficie del componente nella posizione ottimale del filtraggio di fase di cui sopra è stato riferito, per uniformare la fase dei lobi (per questo si vedano le Figg. 3, 4 e 5) ed introducendo la modulazione di profilo su questa stessa superficie.

Ciò può essere fatto - come mostrato in Fig. 4 e come già riferito - ponendo un axicon 25, 26 a distanza δF e modulando la prima superficie di riflessione 25M del componente 25 o cambiando gli angoli dell'axicon e modulando la seconda superficie 36M del componente 36 di Fig. 5. In questo caso la lunghezza del sistema ottico esterno alla cavità risulta decisamente più compatta, essendo pari alla distanza a cui si pone il componente 35 di Fig. 5. Tale distanza è in generale minore della metà della distanza δF citata precedentemente, essendo il cammino fatto dal fascio prima del componente rifasatore (appunto il componente 36 nel caso in esame e descritto nella Fig. 5), ripiegato in due. La distanza δF' deve essere calcolata in maniera numerica, tenendo presente l'azione di convergenza del fascio causata dalla prima superficie (del componente 35 di Fig. 5) del sistema di compattazione del fascio.

Si tenga presente che, nelle condizioni indicate dalle relazioni (5), come detto ben soddisfatte ad esempio nel caso dei laser a gas anulari con elettrodi di grande superficie, l'effetto Talbot sull'anello può essere facilmente stimato per mezzo di calcoli basati su di una teoria unidimensionale come rappresentata in Fig. 2, che tiene conto della distribuzione di campo su una sola direzione trasversa alla propagazione. Così può essere scelta in prima approssimazione la coppia ottimale dei parametri Δ (filling factor del filtro interno alla cavità ottica) e δF (distanza dove introdurre per mezzo del componente ottico a profilo modulato i ritardi di cammino che correggono la fase del fascio estratto).

Il risultato di queste scelte è che la maggiore uniformità (sia di ampiezza che di fase) sull'anello del campo da focalizzare si traduce in un maggior contenuto di energia del modo fondamentale dell'anello. Questa maggiore uniformità azimutale si traduce anche in una maggiore efficacia della compattazione radiale del fascio operata dal sistema basato su un'ottica axicon; così che fino al 90% dell'energia del fascio può essere portata nel lobo centrale del campo focalizzato.

E' inteso che il disegno non mostra che una esemplificazione data solo quale dimostrazione pratica del trovato, potendo esso trovato variare nelle forme e disposizioni senza peraltro uscire dall'ambito del concetto che informa il trovato stesso.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per la elaborazione di un fascio onde ottenerne una concentrazione, caratterizzato dal fatto di comportare un rifasamento a distanza del fascio emesso da laser o array di laser con uscita in geometria anulare con rapporto fra la dimensione in direzione azimutale (cioè tangenziale) delle aperture e con periodicità delle aperture minore di 1.
2. 2. Metodo come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la periodicità delle aperture è compresa nell'intervallo fra 0.7 e 0.95.
3. 3. Metodo come da rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto di comportare l'impiego di un laser anulare con un filtro periodico in cavità avente parametro (filling factor) Δ ≈ 0.7 ÷ 0.95 ed una superficie rifasante a distanza δF dell'ordine ad esempio di poche diecine di cm per periodicità di qualche mm e lunghezza d'onda di circa 10 micron, in cui le variazioni di ampiezza del campo emesso sono minime e quelle di fase massime, δF essendo da determinare in funzione di Δ, ed al variare di Δ (Filling factor) cambiando la distanza ottimale dove porre il rifasamento.
4. 4 . Una sorgente laser per ottenere fasci di energia laser concentrati, caratterizzata dal fatto di comprendere una emissione laser a sezione anulare suddivisa a lobi con zone buie di spessore - in direzione tangenziale - la cui somma è compresa fra il 5% ed il 30% dello sviluppo anulare, ed un mezzo ottico modulato per rifasamento dei lobi attraverso una variazione alternante da lobo a lobo del cammino ottico nel percorso che determina la concentrazione dei fasci.
5. 5. Sorgente laser come da rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto di comprendere un filtro di Talbot per la suddivisione a lobi.
6. 6. Sorgente laser come da rivendicazione 4 o 5, caratterizzata dal fatto di comprendere una lamina ottica con indice di rifrazione diverso da quello del mezzo normale di propagazione (per lo più aria), la quale lamina ottica presenta almeno su una delle sue superfici una modulazione di spessore corrispondente ai lobi di energia da rifasare per variazione di cammino ottico.
7. 7. Sorgente laser come da rivendicazione 4 o 5, comprendente un sistema di compressione del fascio a due superfici riflettenti coniche o toroidali, caratterizzata dal fatto che almeno una od ambedue dette superfici riflettenti è modulata a scalini per ottenere una variazione di percorso dei raggi dei vari lobi e dosi il loro rifasamento.
8. 8. Sorgente laser come da una almeno delle rivendicazioni 4 a 7, caratterizzata dal fatto che il mezzo rifasatore è disposto ad una distanza (δF) dal filtro periodico, tale da ottenere una illuminazione anulare sostanzialmente omogenea per effetto della diffrazione dei detti lobi.
9. 9. Sorgente laser come da rivendicazione 4 o 5, comprendente un sistema di compressione del fascio a due superiici riflettenti coniche o toroidali, caratterizzata dal fatto che una od ambedue le dette superfici riflettenti sono modulate nello spessore a gradini o non, per appiattire la modulazione di fase dovuta allo sfasamento fra i lobi ed alla propagazione.
10. 10. Sorgente laser come da una almeno delle rivendicazioni 4 a 9, caratterizzata dal fatto che l'emissione voluta su lobi debitamente separati e sfasati è ottenuta con lunghezza della cavità secondo formula
11. 11. Sorgente laser e metodo di filtraggio per ottenere una buona qualità ottica da fasci di sezione anulare; il tutto come sopra descritto e rappresentato per esemplificazione nell'annesso disegno.