ITPD20130190A1 - Metodo e sistema per caratterizzare impulsi laser brevi e ultrabrevi emessi ad elevata frequenza di ripetizione - Google Patents

Description

METODO E SISTEMA PER CARATTERIZZARE IMPULSI LASER BREVI E

ULTRABREVI EMESSI AD ELEVATA FREQUENZA DI RIPETIZIONE

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce al settore dei dispositivi e metodi per caratterizzare sistemi laser, ovvero per rilevare alcune caratteristiche del sistema laser stesso, quali ad esempio l’ampiezza e la frequenza degli impulsi generati.

L’invenzione trova applicazione preferita e vantaggiosa al settore dei sistemi laser che emettono impulsi brevi o ultrabrevi, da alcune decine di picosecondi fino a decine di femtosecondi, con elevata frequenza di ripetizione (da alcune centinaia di MHz fino a decine di GHz).

STATO DELL'ARTE

Attualmente, per osservare impulsi laser veloci si utilizzano autocorrelatori o fotodiodi ultraveloci.

Gli autocorrelatori sono dispositivi che incorporano un sistema ottico complesso che consente l’osservazione del profilo di un solo impulso o di un numero limitato di impulsi. Il fascio laser, o una porzione di esso, viene inviato in una linea ottica dove viene inizialmente diviso in due cammini ottici diversi attraverso un beam-splitter. Tra i due cammini viene introdotto un ritardo variabile mediante l’utilizzo di stadi di movimentazione micrometrica e i due fasci vengono infine ricombinati in corrispondenza di un cristallo non lineare. Nel cristallo non lineare si verifica un processo di generazione di frequenze somma (sum frequency mixing), che porta ad un segnale luminoso da cui è possibile estrarre la durata temporale dell’impulso esatta, attraverso un’acquisizione sistematica della sua intensità per diverse posizioni del carrello di movimentazione.

Per quanto efficaci, gli autocorrelatori non sono di facile utilizzo ed hanno un costo elevato.

Inoltre, gli autocorrelatori sono limitati nelle lunghezze d’onda che sono in grado di rilevare. Infatti, per studiare impulsi con lunghezze d’onda nella regione dell’ultravioletto (sotto i 400 nm) non sono disponibili cristalli in grado di produrre radiazione di seconda armonica in una regione spettrale di meno di 200 nm. L’estensione della tecnica di autocorrelazione a questo range di lunghezze d’onda è risultato possibile solo attraverso apparati di notevole complessità che si basano sull’utilizzo del segnale di fotoluminescenza da parte di un gas come mezzo non lineare.

Inoltre, gli autocorrelatori non permettono di effettuare misure in continua sul laser senza alterarne il percorso ottico. Per effettuare misure, almeno una parte del fascio laser deve essere deviata dal suo percorso ottico (ad es. con un beam splitter), pertanto sottraendo una porzione considerevole di energia dal percorso originale. Durante il funzionamento, quando tutta la potenza del laser risulta necessaria, non è quindi possibile effettuare misurazioni.

I fotodiodi “ultraveloci”, ad es. distribuiti dalla Alphalas GmbH, consentono di osservare impulsi con tempi di salita minimi di 15 ps.

La velocità di risposta di un fotodiodo è tipicamente limitata o da parametri elettrici del circuito di lettura del segnale (capacità e resistore esterno) o da effetti interni, come per esempio il tempo di transito finito dei portatori attraverso la regione di svuotamento (volume attivo del rivelatore).

Al giorno d’oggi sono disponibili fotodiodi ultraveloci con bande che possono raggiungere le decine di gigahertz. La banda massima riportata da Alphalas è di 25 GHz. Questi fotodiodi presentano superfici di rivelazione con aree molto piccole (inferiori al mm<2>) e piccoli volumi di assorbimento. Aree così piccole sono vantaggiose quando si vogliano sviluppare dispositivi accoppiati in fibra, ma le fotocorrenti raggiungibili da questi dispositivi sono limitate a 1 mA o inferiori, corrispondenti a potenze ottiche di circa ≈ 2 mW. Fotocorrenti maggiori sono invece desiderabili per sopprimere il rumore termico e lo shot noise.

Inoltre, il funzionamento ottimo dei fotodiodi ultraveloci (tempi di risposta 15 ps) è limitato a frequenze di ripetizione degli impulsi inferiori a circa 100 MHz a causa del loro tempo di ripristino (recovery time), che è ben maggiore del tempo di salita del segnale. A seguito della iniziale, e principale, iniezione di corrente corrispondente all’impulso laser ultraveloce, possono permanere portatori residui che possono limitare la capacità di riprodurre fedelmente impulsi che si ripetono a frequenze elevate.

Anche nel caso in cui, sempre ai fini del controllo dell’uniformità degli impulsi, ci si limiti ad osservare l’inviluppo del treno con un fotodiodo veloce (tempo di risposta 1 ns), si possono osservare artefatti legati ad una progressiva deriva temporale delle proprietà del dispositivo, che sono invece garantite per singolo impulso e/o basse frequenze di ripetizione.

Un limite all’uso dei fotodiodi ultraveloci è dato dai costi elevati e dalla loro delicatezza: essi vengono spesso danneggiati nel caso in cui vengono colpiti con laser aventi potenze superiori a quelle nominali del fotodiodo.

SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE

E’ scopo della presente invenzione superare gli inconvenienti dell'arte nota.

In particolare, è scopo della presente invenzione quello di presentare un dispositivo per la caratterizzazione di laser che sia di facile utilizzo e di basso costo.

E’ inoltre scopo della presente invenzione quello di realizzare un dispositivo che permetta di caratterizzare un laser mentre lo stesso sta operando, ad es. in una linea produttiva o durante un esperimento di laboratorio.

E’ inoltre scopo della presente invenzione presentare un sistema di misurazione con banda superiore ai 25 GHz.

E’ inoltre scopo della presente invenzione quello di presentare un dispositivo che possa essere utilizzato anche per rilevare laser con lunghezze d’onda nell’intervallo dell’ultravioletto.

Inoltre, è scopo della presente invenzione quello di presentare un dispositivo che permetta di visualizzare in maniera affidabile il profilo del treno di impulsi (o uniformità degli impulsi) del laser, una misura, questa, molto utile in sistemi che presentano un elevato guadagno, in cui il processo di amplificazione non è lineare. E’ inoltre scopo della presente invenzione quello di presentare un dispositivo che permetta di effettuare simultaneamente misure multiple sul laser, in particolare permetta di controllare simultaneamente l’uniformità degli impulsi, misurarne l’energia e la frequenza di ripetizione.

Questi ed ulteriori scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante un metodo ed un sistema per caratterizzare impulsi laser brevi ed ultrabrevi emessi ad alta frequenza di ripetizione, che incorporano le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.

La presente invenzione sfrutta un fenomeno di polarizzazione di atomi o molecole in cristalli, indotto da campi elettrici intensi in grado di sollecitare la risposta non lineare del materiale. Il fenomeno è noto in letteratura come rettificazione ottica ed è alla base di diversi meccanismi di generazione di radiazione fino al THz.

Gli inventori hanno osservato che la radiazione prodotta, avendo origine nella dipendenza temporale del campo elettrico (campo laser) che produce la polarizzazione, può essere utilizzata per analizzare la frequenza di ripetizione degli impulsi laser.

Gli inventori hanno così pensato di inserire nel percorso ottico di un laser un cristallo non lineare che sia tagliato in modo tale che la sua faccia di ingresso contenga una delle direzioni lungo le quali sia elevato il coefficiente non lineare al secondo ordine. Il metodo messo a punto dagli inventori prevede, quindi, di rilevare le onde radio generate dai dipoli oscillanti creatisi per effetto della polarizzazione variabile nel tempo indotta dal treno di impulsi laser nel cristallo. Queste onde radio trasportano, nel dominio della frequenza, un’informazione relativa alla convoluzione degli impulsi laser che raggiungono il cristallo.

Ricevendo le onde radio prodotte dal processo di rettificazione ottica con un’antenna e processando il relativo segnale, è possibile controllare simultaneamente l’uniformità degli impulsi, misurarne l’energia e la frequenza di ripetizione.

La potenza delle onde radio prodotte dipende dall’intensità del campo laser incidente sul cristallo, e non dalla lunghezza d’onda. Questo consente di utilizzare il metodo presentato anche in intervalli UV, in cui sia contenuta la finestra di trasparenza del cristallo.

Inoltre, il sistema descritto è in grado di misurare fedelmente treni d’impulsi con frequenza di ripetizione fino al centinaio di GHz perché sfrutta la risposta elettronica del materiale, che è praticamente istantanea (femtosecondi), e non richiede elementi capacitivi per raccogliere il segnale laser.

In una forma di realizzazione vantaggiosa, per minimizzare l’efficienza di processi di generazione di seconda armonica, si inserisce nel percorso ottico del laser un cristallo tagliato in modo tale che l’angolo tra la direzione di propagazione del fascio laser e l’asse cristallografico sia lontano dal realizzare la condizione di phase matching tra l’onda incidente e la sua prima armonica. Questo consente di sfruttare l’effetto di rettificazione ottica senza avere effetti che prelevano potenza al fascio laser da monitorare.

In una forma di realizzazione, il cristallo è posizionato all’interno di una guida d’onda, che convoglia le onde generate dall’interazione laser-cristallo verso l’antenna. Essendo nota in modo approssimato la frequenza di ripetizione del sistema laser dalla lunghezza dell’oscillatore laser L attraverso la relazione fr=c/2L, vantaggiosamente il metodo prevede di posizionare il cristallo all’interno di una guida d’onda con banda passante tale da contenere la frequenza delle onde radio generate. Nel caso di guida d’onda cilindrica, tale requisito si traduce nella scelta di una guida d’onda di diametro adatto allo scopo.

Secondo un’altra forma di realizzazione, il cristallo viene posizionato in una cavità risonante. Preferibilmente la cavità viene provvista di una parete mobile tale da modificarne i modi di vibrazione e permettere così il rilevamento di onde radio a frequenze diverse.

Mentre la guida d’onda presenta una banda passante generalmente ampia, la cavità permette di rilevare uno spettro di frequenze molto più stretto; l’uso di una cavità con parete mobile permette pertanto di adattare la banda del ricevitore alla frequenza di ripetizione del laser.

In una forma di realizzazione alternativa all’uso di una parete mobile, il metodo secondo l’invenzione prevede di accordare la frequenza di oscillazione della cavità alla frequenza di ripetizione del laser attraverso una barra di dielettrico (ad es. zaffiro), il cui inserimento in cavità possa essere modificato attraverso opportuni sistemi di movimentazione meccanica.

Ulteriori caratteristiche vantaggiose sono oggetto delle allegate rivendicazioni, che si intendono parte integrante della presente descrizione.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L’invenzione verrà descritta qui di seguito con riferimento ad esempi non limitativi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari. Figura 1 illustra un sistema per rilevare caratteristiche di impulsi laser brevi ed ultrabrevi emessi ad alta frequenza di ripetizione;

Figura 2 illustra un dispositivo che incorpora il sistema di figura 1.

Figura 3 è un diagramma di flusso di un metodo per rilevare caratteristiche di impulsi laser brevi ed ultrabrevi emessi ad alta frequenza di ripetizione;

Figura 4 illustra una variante del sistema di figura 1;

Figura 5 illustra una variante del sistema di figura 1;

Figure da 6 a 8 illustrano misure ottenute con un sistema di misurazione che utilizza un cristallo KTP in una cavità a microonde;

Figura 9 illustra misure ottenute con un sistema di misurazione che utilizza un cristallo ZnSe in una guida d’onda;

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Mentre l’invenzione è suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite sono mostrate nei disegni e saranno descritte qui di seguito in dettaglio.

Si deve intendere, comunque, che non vi è alcuna intenzione di limitare l’invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, l’invenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell’ambito dell’invenzione come definito nelle rivendicazioni.

L’uso di “ad esempio”, “ecc”, “oppure” indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato.

L’uso di “include” significa “include, ma non limitato a ” a meno che non altrimenti indicato.

In figura 1 viene illustrato un sistema 1 per rilevare le caratteristiche di impulsi laser brevi ed ultrabrevi emessi ad alta frequenza di ripetizione. Il sistema può essere inserito in un alloggiamento 2, come mostrato figura 2, di un dispositivo per la rilevazione delle caratteristiche di impulsi laser brevi ed ultrabrevi emessi ad alta frequenza di ripetizione.

Il sistema di figura 1 ed il relativo dispositivo di figura 2 permettono di implementare un metodo per la rilevazione delle caratteristiche di impulsi laser, brevi ed ultrabrevi emessi ad alta frequenza di ripetizione, che verrà qui di seguito descritto anche con riferimento al diagramma di flusso di figura 3.

Il metodo prevede (passo 301) di inviare il treno di impulsi laser 3 da caratterizzare (ossia il treno di impulsi di cui si vogliono conoscere le caratteristiche fisiche) su un cristallo non lineare 4, che presenta preferibilmente elevati coefficienti dijdel secondo ordine, in particolare aventi valori superiori a 10<-23>C/V<2>e preferibilmente dell’ordine di 10<-21>C/V<2>.

Nell’esempio qui di seguito descritto, il cristallo 4 è un di cristallo KTP (Potassio Titanil Fosfato, KTiOPO<4>), tuttavia non è escluso l’utilizzo di cristalli di altra tipologia. Il KTP è un cristallo non centrosimmetrico, e questo determina il suo utilizzo in svariate applicazioni in dispositivi elettro-ottici e la presenza di marcati effetti di non linearità al secondo ordine. Esperimenti (si veda la sezione “risultati sperimentali” alla fine di questa descrizione) sono tuttavia stati condotti anche con un cristallo di ZnSe (Seleniuro di Zinco), che presenta una struttura centrosimmetrica. La struttura centrosimmetrica, alla base di nonlinearità del terzo ordine, non esclude la presenza di un coefficiente non lineare al secondo ordine, di entità confrontabile a quella esibita dal KTP.

Come noto, il cristallo di KTP presenta una struttura ortorombica, in cui le componenti indipendenti del tensore di polarizzazione dij, che caratterizza la risposta del termine non lineare del secondo ordine, in un sistema di coordinate x, y, z, dove x, y e z si riferiscono agli assi principali con indice di rifrazione ordinato nx< ny< nz, sono rappresentate dalla seguente matrice:

dove gli elementi non nulli della matrice sono (dati di EKSMA OPTICS)

, , . Nella forma di realizzazione preferita, il cristallo 4 viene disposto in modo tale che il treno di impulsi 3 generato dal laser 5 attraversi il cristallo secondo una direzione che minimizza la generazione di armoniche di secondo ordine. Ciò viene ottenuto tagliando il cristallo in modo tale che l’angolo tra la direzione di propagazione del fascio laser e l’asse cristallografico sia lontano dal realizzare la condizione di phase matching tra l’onda incidente e l’onda generata. Evitando la generazione di armoniche di secondo ordine è minima la potenza persa dal fascio laser durante l’attraversamento del cristallo, ciò consente quindi di migliorare le misure e di contenere l’impatto del sistema di misurazione nel caso in cui le misure siano condotte su una linea di produzione.

Quando il treno di impulsi laser attraversa il cristallo, quest’ultimo viene polarizzato e si ha la generazione di onde radio 7 che ha origine dalla stessa struttura temporale del treno di impulsi. Infatti, una serie di impulsi ottici ciascuno di durata tp< 1/fr(con frfrequenza di ripetizione) nel dominio del tempo è rappresentato nel dominio della frequenza dalla sua trasformata di Fourier, che contiene picchi di intensità alle frequenze fn=n/T, con n intero e T separazione temporale tra gli impulsi laser.

La forma analitica che rappresenta un treno di N impulsi di durata tp,che si ripetono a intervalli di tempo T è data da (per semplificare facciamo l’ipotesi si impulsi rettangolari):

N

f (t)��[u(t �nT) �u(t �mT�tp) ]

n� 0

dove u(t) è la funzione a gradino. La trasformata di Fourier di f(t), a meno di fattori numerici, è data da

F( �) ��e<�i� t>�[u(t�nT) �u(t�mT � t p) ]

�� n� 0

L’integrando vale 1 tra nT e nT+tpquindi si può scrivere

N nT+tp

F(w) =<inwT -iwt>å e

n=0 n ò<e>

T

N

e, ricordando cheå e<nx>1- x<N>

<=>si ottiene lo spettro del treno di impulsi nella forma: n=0 1- x

/2

-iwt 2e-iNwT é sin(wT / 2) ù é sin(NwT / 2) ù

F(w) = tp/

pe<-iwT/2>ú

e ëê

wT / 2 ûúê

ë sin(wT / 2) û

Il primo termine tra parentesi quadre rappresenta i massimi in corrispondenza delle armoniche a frequenze wn= 2np / T mentre lo spettro si estende fino al primo zero della

funzione sin(NwT / 2) , ovvero per w t

sin(wT / 2)n= 2p /p.

Lo spettro si presenta quindi come un “frequency comb”, ovvero un pettine di frequenze equidistanziate. Si osserva che la larghezza di ciascuna riga spettrale dipende dalla lunghezza del treno di impulsi da misurare, mentre la distribuzione di potenza tra le varie armoniche dipende dalla trasformata di Fourier del singolo impulso. Le armoniche sono quindi caratterizzate da potenze via via decrescenti all’aumentare del numero d’ordine. Avendo quindi a disposizione un sistema di ricezione tale da individuare una o più armoniche di ordine superiore, è possibile misurare anche la durata del singolo impulso laser a partire dai valori delle intensità delle armoniche superiori relativamente all’intensità del picco principale.

Per massimizzare l’emissione di onde radio è utile inserire nel cammino ottico del laser una lamina 6 a mezz’onda (λ/2) che consente di ruotare il piano di polarizzazione del laser.

L’uso di cristalli non lineari che non abbiano queste caratteristiche o, comunque, la mancanza di accorgimenti (come l’uso di lamine a mezz’onda) per evitare (o ridurre) la generazione di armoniche del secondo ordine, risulta peggiorativo delle prestazioni del sistema di misura, ma è tuttavia possibile.

Come detto sopra, l’impatto del treno di impulsi 3 sul cristallo 4 provoca la generazione delle onde radio 7.

Il metodo di rilevamento delle caratteristiche del treno di impulsi prevede pertanto di ricevere le onde radio 7 emesse dal cristallo 4 per effetto dell’interazione lasercristallo. Le onde radio 7 vengono ricevute mediante un’antenna 8 (passo 302).

Nell’esempio di figura 1, l’antenna viene provvista di uno stadio di amplificazione 9 che amplifica il segnale d’uscita dell’antenna prima di trasmetterlo ad un’unità di controllo che in questo esempio di realizzazione comprende un campionatore 14 seguito da un processore 10. Lo stadio di amplificazione 9, per quanto preferito, potrebbe non essere necessario se le onde radio 7 hanno intensità sufficiente per generare nell’antenna 8 un segnale elettrico sufficientemente ampio da poter essere letto con successo dal processore 10; più preferibilmente, lo stadio d’amplificazione viene previsto per garantire un rapporto segnale rumore sufficientemente ampio per permettere al campionatore di discriminare tra segnale proveniente dall’antenna e rumore.

Il processore 10 elabora il segnale radio campionato ricevuto dal campionatore 14 (passo 303) e calcola una o più delle seguenti caratteristiche del treno di impulsi: l’energia di un singolo impulso del treno di impulsi, lo spettro del treno di impulsi, il profilo dell’inviluppo del treno di impulsi (nel seguito tale inviluppo sarà anche chiamato macro-impulso), l’energia e la frequenza di ripetizione degli impulsi, la durata del singolo impulso.

Queste grandezze vengono calcolate dal processore come in seguito descritto.

Nel caso di un treno di impulsi di durata complessiva Δt, il campionatore fornisce al processore un segnale radio discreto di ampiezza V(t) e durata Δt caratterizzato da una risposta in frequenza centrata sulla frequenza fre larghezza di banda pari a 1/Δt. Il processore individua dapprima il valore di frcalcolando, in modo di per sé noto, la trasformata di Fourier del segnale fornito dal campionatore.

Il processore calcola inoltre l’energia Epdi un impulso del treno

,

dove V(t) è l’ampiezza del segnale di tensione che viene campionato, S coincide con l’area del fascio laser incidente sul cristallo ed R è la responsività del sistema calcolata come segue:

R=V/I

con V ampiezza rms del segnale in volt ottenuto al campionatore e I intensità dell’impulso laser in MW/cm<2>.

R ed S vengono misurate durante una fase di calibrazione iniziale del sistema di misura: S viene misurata attraverso la tecnica del “knife edge” oppure direttamente attraverso l’utilizzo di un visore (ad esempio un visore CMOS), mentre per R si utilizza un misuratore di energia (o di potenza media in caso di sistema CW) indipendente.

Si osserva che la responsività dipende dal numero totale N di dipoli investiti dall’impulso laser, quindi è necessario accertarsi che la lunghezza del cristallo, lungo la direzione di propagazione del fascio laser, sia almeno pari alla lunghezza dell’impulso lp=ctp/n, dove n è l’indice di rifrazione del cristallo non lineare utilizzato.

Tipicamente la dimensione del fascio non varia durante il suo utilizzo, quindi la precisione delle misure di S ed R effettuata durante la fase di calibrazione determina anche la precisione con cui è nota Ep.

L’energia totale Etdel treno viene calcolata come Et= NEpin cui N = frΔt è il numero totale di impulsi contenuti nel macro-impulso.

Nel caso di impulsi laser in CW (Continuos Waves), il processore calcola lo spettro e l’energia degli impulsi secondo le relazioni precedentemente definite, tranne, chiaramente, il calcolo dell’energia totale del macro impulso, che sarebbe infinita date le caratteristiche del laser CW. Si calcola in questo caso la potenza media del treno attraverso l’espressione Pm=Epfr. EPviene di nuovo fornita dalla relazione precedente.

Il segnale V(t) e’ in generale rappresentato da una portante a frequenza frmodulata da un inviluppo a(t), ovvero . Per definire il grado di uniformità del treno di impulsi, il processore contiene una stazione di filtraggio software che rimuove la portante e restituisce a(t).

Con riferimento alla figura 2, il sistema di misurazione 1 è inserito in un alloggiamento 2 che presenta una luce d’ingresso 20 per il passaggio di un treno di impulsi laser. Tale luce d’ingresso 20 può essere indifferentemente costituita da un’apertura o, invece, comprendere un materiale che sia trasparente alla lunghezza d’onda del fascio laser incidente.

Il cristallo viene posizionato dietro alla luce 20, in modo tale da poter essere raggiunto dal treno di impulsi quando questi la attraversano.

Nell’esempio di figura 2, sia l’antenna 8 che il processore 10 sono posizionati all’interno dell’alloggiamento 2 del dispositivo 100 per la rilevazione delle caratteristiche di un treno di impulsi laser. In una forma di realizzazione alternativa, il processore può essere esterno all’alloggiamento 2.

In una forma di realizzazione preferita, non mostrata nelle figure, il dispositivo 100 comprende un’unità di controllo comprendente o collegabile ad un monitor per permettere di visualizzare i parametri del laser rilevati mediante il metodo sopra dettagliato. In questa forma di realizzazione, il processore 10 viene preferibilmente inserito nell’unità di controllo.

Vantaggiosamente, l’unità di controllo è esterna all’alloggiamento 2 e comprende un monitor, ciò consente di avere un dispositivo integrato che può essere inserito lungo il percorso ottico di un laser, anche già installato ed operativo, per rilevare facilmente e rapidamente le caratteristiche del treno di impulsi generato dal laser stesso.

Nell’esempio di figura 2, il dispositivo 100 comprende una lamina a mezz’onda 5 montata in modo amovibile su carrello 11 che ne permette la rotazione. In questa forma di realizzazione, il dispositivo 100 comprende mezzi di movimentazione del carrello che, vantaggiosamente ma non necessariamente, permettono di controllare la posizione del carrello 11 dall’esterno dell’alloggiamento 2. Il carrello 11 può essere sostituito da o integrato con una slitta o altro mezzo di movimentazione della lamina. Ciò consente di inserire o meno la lamina nel percorso ottico del laser così da ruotarne o meno il piano di polarizzazione e migliorare l’accoppiamento con il cristallo 4.

In una forma di realizzazione preferita, non mostrata nelle figure, vantaggiosamente anche il cristallo 4 viene montato su un carrello o una slitta mobile controllabile mediante opportuni mezzi di movimentazione.

In una forma di realizzazione che permette di migliorare la rilevazione dei parametri del laser, il cristallo 4 viene inserito all’interno di una guida d’onda che si sviluppa lungo una direzione ortogonale all’asse r di propagazione del laser. Questa forma di realizzazione è mostrata in figura 4.

Il cristallo 4 viene preferibilmente inserito nella guida d’onda 12 in modo tale che le sue pareti non entrino in contatto con quelle della guida d’onda 12, ciò è ad esempio realizzato utilizzando un supporto dielettrico per il cristallo che entra nella guida d’onda 12. Preferibilmente anche il supporto per il cristallo non tocca le pareti della guida 12. In una forma di realizzazione, il supporto per il cristallo comprende una base destinata a ricevere il cristallo ed uno stelo che sorregge la base, la guida d’onda viene quindi predisposta con un’apertura di dimensioni superiori a quelle dello stelo del supporto. Vantaggiosamente la base del supporto e lo stelo sono collegati mediante mezzi di accoppiamento removibili, quali un filetto; ciò consente di avere una base di dimensioni superiori a quelle dello stelo: la base viene inserita nella guida e poi lo stelo viene fatto passare attraverso l’apertura della guida.

La guida d’onda 12 raccoglie le onde radio 7 emesse dal cristallo 4 e le convoglia verso l’antenna 8 che viene posta ad una estremità 120 della guida stessa. L’estremità 121 della guida d’onda opposta a quella su cui è posizionata l’antenna 8, viene terminata sulla sua impedenza caratteristica oppure viene utilizzata anch’essa per avere a disposizione un’ulteriore uscita, una copia del segnale da processare.

Preferibilmente, la guida d’onda non deve interferire con il percorso ottico del laser, pertanto in una forma di realizzazione la guida d’onda 12 presenta due aperture 122, 123 poste su facce opposte della guida d’onda 12 così da permettere l’ingresso e l’uscita del treno di impulsi laser 3.

Alternativamente, la guida d’onda 12 può essere realizzata in un materiale che risulti trasparente alla lunghezza d’onda del laser 5.

Nel caso di guida d’onda a sezione rettangolare, questa presenta una banda passante legata alla maggiore delle dimensioni interne, indicheremo tale dimensione come “dimensione a”. Per esempio, nel caso di un treno di impulsi laser ultrabrevi, con frequenza di ripetizione di una decina di GHz, le onde radio 7 vengono rivelate attraverso una guida d’onda WR75 (standard EIA), che presenta una “dimensione a” di circa 2 cm.

A frequenze di ripetizione molto elevate, per esempio a 90-140 GHz, la guida d’onda presenta dimensioni dell’ordine di circa 2 mm (l’altra dimensione è tipicamente la metà), che possono limitare la dimensione del cristallo, e quindi del fascio incidente. La dimensione del fascio potrebbe in tal caso essere ridotta prima dell’ingresso del cristallo non lineare utilizzando preferibilmente un telescopio comprendente una coppia di lenti L1 ed L2, tali che L1 (prima lente della coppia incontrata dal fascio laser) sia una lente convergente ed L2 (seconda lente della coppia incontrata dal fascio laser) una lente a focale negativa, L1 ed L2 essendo due lenti con focali fL1e fL2tali che |fL1| > |fL2|. Il rapporto di ingrandimento è dato in tal caso da M= fL2/fL1e il fascio viaggia collimato in uscita dal telescopio se le lenti vengono poste a distanza pari alla differenza delle due focali.

Chiaramente la guida 12 può avere altre forme, di per sé note, diverse da quella a sezione rettangolare.

Nell’esempio di figura 5, il sistema per la rilevazione delle caratteristiche di un treno di impulsi laser 1 comprende una cavità risonante 13 provvista di almeno una parete mobile 130.

La cavità risonante funziona da filtro e permette di raccogliere onde radio con frequenza centrata attorno alla frequenza di risonanza della cavità.

Muovendo la parete 130 è possibile modificare la frequenza di risonanza della cavità e pertanto selezionare diverse frequenze delle onde radio 7 emesse dal cristallo 4 in risposta all’interazione del treno di impulsi laser con il cristallo. L’antenna 8 riceverà così le frequenze selezionate muovendo la parete 130.

Nell’esempio di figura 5 la parete mobile 130 è un setto mobile caratterizzato da un contatto strisciante, atto a garantire un buon contatto elettrico con le adiacenti pareti di cavità.

L’uso di una cavità con parete mobile non è obbligatorio ed è possibile utilizzare una cavità risonante ad una frequenza predeterminata non provvista di pareti mobili, tuttavia ciò limita la possibilità di analizzare diverse frequenze delle onde radio emesse dal laser.

In una forma di realizzazione alternativa all’uso di una parete mobile, si utilizza una barra di dielettrico (ad es. zaffiro) per accordare la frequenza di oscillazione della cavità alla frequenza di ripetizione del laser. La cavità viene prevista di un’apertura attraverso la quale può essere inserita la barra di dielettrico, preferibilmente l’inserimento in cavità viene modificato attraverso opportuni sistemi di movimentazione meccanica.

L’antenna che riceve il segnale in cavità si presenta nella forma di una spira, posta in direzione preferibilmente ortogonale alle linee di forza del campo magnetico associate al modo risonante della cavità prescelto, e l’area sottesa deve essere tale da concatenare un flusso di campo che determina una dissipazione di potenza lungo la linea di trasmissione che coincide con la potenza dissipata sulle pareti di cavità (condizione di accoppiamento critico).

Questa condizione consente di prelevare metà della potenza immagazzinata in cavità in condizioni stazionarie.

Così come per la guida d’onda 12, nella forma di realizzazione preferita la cavità 13 presenta un’apertura d’ingresso 133 ed una di uscita 132 che permettono al treno di impulsi laser di entrare nella cavità, attraversare il cristallo 4 ed uscire continuando nel suo percorso ottico lungo l’asse r.

Nell’esempio di figura 5 la lamina 6 è posizionata all’esterno della cavità risonante, ciò risulta preferibile in quanto la sua eventuale rotazione in cavità potrebbe alterare le proprietà risonanti della cavità.

Dalla descrizione qui sopra, è chiaro come il sistema ed il metodo di misura permettano di raggiungere gli scopi sopra indicati.

L’uso del fenomeno della rettificazione ottica dovuto all’interazione laser-cristallo, permette di risalire alle caratteristiche del treno di impulsi laser incidente sul cristallo e pertanto di effettuare misure delle caratteristiche di un treno di impulsi laser senza bisogno di costosi autocorrelatori o fotodiodi ultraveloci.

Sono poi possibili numerose varianti a quanto sino ad ora insegnato, tutte da ritenersi alla portata del tecnico del ramo alla luce della descrizione qui sopra e pertanto equivalenti a quanto più oltre rivendicato.

In particolare, è evidente che diverse caratteristiche descritte con riferimento a singoli esempi realizzativi possono essere differentemente combinate e che diversi blocchi circuitali e fasi del metodo possono essere differentemente accorpati o separati.

Nel seguito si riportano alcuni dati sperimentali che dimostrano la bontà del sistema e la sua applicabilità a livello industriale.

Risultati sperimentali

In questa sezione vengono riportati alcuni dati sperimentali.

Esempio 1.

Il metodo descritto è stato dimostrato sperimentalmente secondo lo schema mostrato in figura 4.

Il treno di impulsi 3 è emesso da un sistema laser a 1064 nm con frequenza di ripetizione di circa 4.6 GHz. Il sistema laser è in grado di emettere, grazie all’utilizzo di stadi di amplificazione, macroimpulsi della durata di circa 500 ns con energia totale fino ad alcune decine di mJ. L’energia massima per impulso è quindi dell’ordine delle decine di μJ. Gli impulsi, della durata di 10 ps, sono stati inviati su un cristallo di KTP di dimensioni 4x4x10 mm<3>, con la dimensione maggiore lungo la direzione di propagazione del fascio. Il cristallo utilizzato dagli autori era stato tagliato per conversione di lunghezza d’onda da 500 nm a circa 800 nm all’interno di un oscillatore parametrico, ovvero la direzione di propagazione del fascio laser rispetto all’asse cristallografico è stata scelta per mandare in phase matching queste due lunghezze d’onda. Utilizzato con un fascio a 1064 nm, la seconda armonica (532 nm) viene prodotta con efficienze molto basse (inferiori al percento).

Si osserva inoltre che la lunghezza ottica dell’impulso è di circa 1.7 mm, calcolata considerando un indice di rifrazione per il KTP a 1064 nm di 1.74.

L’area del fascio gaussiano utilizzato nelle misure mostrate nelle figure 5 e 6 è stata di 7 mm<2>.

Una lamina a mezz’onda 5 è stata utilizzata per portare la polarizzazione del fascio laser lungo la direzione di massima emissione di onde radio. La corretta posizione della lamina è stata individuata osservando direttamente il segnale di emissione ad un oscilloscopio (campionatore) a banda di 6 GHz. In Figura 8 è mostrato il livello misurato di radiazione RF, che è proporzionale all’ampiezza della prima armonica della trasformata di Fourier del segnale, al variare della posizione angolare (θ) della lamina.

Per ricevere la radiazione emessa per rettificazione ottica, gli autori hanno utilizzato una cavità a microonde rettangolare di dimensioni trasverse 22 mm, 72 mm, e la terza regolabile con un setto mobile attorno al valore di 36 mm. Con queste dimensioni, la cavità risuona nel modo fondamentale a valori di frequenza nel range di fr.

In queste condizioni gli autori hanno osservato un segnale di alcune centinaia di millivolts, senza l’utilizzo di stadi di amplificazione. Un valore di intensità pari a 50 MW/cm<2>ha portato ad una responsività R di decine di mV per MW/cm<2>.

Il lettore esperto potrebbe osservare che i valori di intensità utilizzati dagli autori sono disponibili solo in sistemi MOPA (Master Oscillator Power Amplifier), caratterizzati da più stadi di amplificazione ottica, richiesta che limiterebbe l’utilizzo del metodo alla caratterizzazione di treni di impulsi laser provenienti da tali sistemi. E’ a questo punto necessario ricordare che è sufficiente avere a disposizione valori di intensità laser tali da indurre fenomeni non lineari; è inoltre possibile utilizzare amplificatori commercialmente disponibili per avere a disposizione un segnale maggiore.

Infine, le richieste sull’intensità laser possono essere rilassate attraverso l’incremento di responsività che si otterrebbe in presenza di frequenze di ripetizione maggiori. La potenza della radiazione emessa seguirebbe la quarta potenza della frequenza di ripetizione da rilevare. Il dispositivo trova quindi applicazione vantaggiosa anche nello studio di impulsi emessi in CW.

In Figura 6 sono confrontate due tecniche di misura della frequenza di ripetizione. Il segnale ottenuto con il metodo innovativo (601) qui descritto viene confrontato con il segnale ottenuto con la tecnica tradizionale (602), che coincide con l’osservare ad un analizzatore di spettro l’uscita di un fotodiodo veloce. Il fotodiodo utilizzato ha una banda di 12 GHz con un tempo di salita del segnale di 28 ps. I due spettri di segnale mostrati in Figura 6 sono ottenuti come segue: il fotodiodo monitora l’oscillatore laser (CW) prima dello stadio di amplificazione, mentre il metodo innovativo viene utilizzato a valle dello stadio di amplificazione, dove gli impulsi sono limitati ad un numero finito N dal macroimpulso. Così facendo la seconda misura è limitata in risoluzione a 1 MHz dalla durata del macroimpulso (500 ns) e sarebbe difficilmente realizzabile con la tecnica tradizionale. La durata dei gate impostabili ad alcuni analizzatori di spettro è infatti dell’ordine dei microsecondi. Si osserva inoltre come il sistema sia in grado di rivelare anche le oscillazioni di rilassamento presenti nell’oscillatore, anche se sono al di fuori della larghezza di riga della cavità risonante a microonde. Esse di presentano come bande laterali del segnale corrispondente a fr.

In Figura 7 (A) è mostrato (segnale C3) il segnale RF ricevuto in cavità e osservato all’oscilloscopio. In questo caso il segnale RF viene caricato in cavità con i tempi dettati dal suo fattore di qualità (centinaio di ns) e quindi il segnale sale (e scende) in tempi lunghi. La trasformata di Fourier di tale segnale, mostrata in Figura 7 (B), restituisce la frequenza di ripetizione del laser fr.

Esempio 2.

In questo secondo esempio viene descritta una misura alternativa, che prevede lo stesso schema sperimentale dell’esempio precedente, in cui al posto della cavità a microonde è stata utilizzata una guida d’onda.

Il cristallo di ZnSe utilizzato ha dimensioni 2X2X3 mm<3>(fornito da Crystran, UK) con orientamento del cristallo 1 1 0.

L’area del fascio e l’energia per impulso sono state ridotte entrambe di un fattore circa 3 rispetto ai valori utilizzati nell’esempio precedente. In Figura 9 si mostra il segnale RF (C3), ed il suo spettro (F1), ottenuto con il cristallo di ZnSe in guida d’onda, ove di osserva il tempo si salita del macroimpulso, che non più limitato dalla banda di cavità. Il tempo di salita del segnale RF che si osserva è di circa 20 ns; esso è determinato dal deflettore acusto-ottico che viene utilizzato nel sistema laser precedentemente descritto per prelevare un numero finito di impulsi e non è quindi un limite del metodo presentato. Applicazioni del dispositivo sono quindi preferite in questa configurazione, in cui l’utilizzo di una guida d’onda non limita la discriminazione dei primi impulsi del treno.

Claims (23)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per rilevare caratteristiche di impulsi laser brevi ed ultrabrevi ad alta frequenza di ripetizione, comprendente i passi di: inviare (301) un treno di impulsi laser (3) su un cristallo non lineare (4), rilevare (302) mediante un’antenna (9) le onde radio (7) generate dal cristallo (4) per effetto della polarizzazione indotta dal treno di impulsi sul cristallo non lineare (4), processare (303) un segnale d’uscita dell’antenna per determinare almeno una caratteristica di almeno un impulso di detto treno di impulsi.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta almeno una caratteristica è una caratteristica compresa nell’elenco di caratteristiche comprendente l’energia di un singolo impulso e del treno di impulsi, lo spettro del treno di impulsi, l’uniformità degli impulsi, l’energia e la frequenza di ripetizione degli impulsi.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il cristallo non lineare (4) è inserito in una guida d’onda (12) ed in cui l’antenna è posta all’interno o ad un’estremità della guida d’onda.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il cristallo non lineare (4) è inserito in una cavità risonante (13) ed in cui l’antenna (9) è posta all’interno della cavità.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, ulteriormente comprendente il passo di muovere almeno una parete della cavità per modificare la frequenza di risonanza della cavità.
6. 6. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, ulteriormente comprendente il passo di modificare la posizione del cristallo non lineare e/o la polarizzazione del treno di impulsi laser per allineare il campo elettrico del laser ad una direzione del cristallo che presenta un coefficiente non lineare del secondo ordine massimo.
7. 7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui si campiona il segnale radio ricevuto dall’antenna e si processa il segnale campionato, ed in cui il processore determina l’energia di un impulso di detto treno secondo la seguente relazione: , dove V(t) rappresenta l’ampiezza in volt del segnale campionato, S coincide con l’area del fascio laser incidente sul cristallo non lineare (4), è la durata del singolo impulso ed R è la responsività del sistema calcolata secondo la formula R=V/I con V ampiezza rms del segnale radio ricevuto e I intensità dell’impulso laser.
8. 8. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui si determina l’uniformità degli impulsi di detto treno attraverso un filtro software passa basso delle componenti dello spettro in frequenza.
9. 9. Sistema per misurare caratteristiche di un treno di impulsi laser, comprendente: un cristallo non lineare mezzi di posizionamento per posizionare il cristallo non lineare lungo un percorso ottico del treno di impulsi, un’antenna atta a rilevare le onde radio generate dal cristallo per effetto della polarizzazione indotta dal treno di impulsi sul cristallo non lineare, un’unità di controllo atta a processare un segnale d’uscita dell’antenna per determinare almeno una caratteristica di almeno un impulso di detto treno di impulsi.
10. 10. Sistema secondo la rivendicazione 9, in cui detta almeno una caratteristica è una caratteristica compresa nell’elenco di caratteristiche comprendente l’energia di un singolo impulso del treno di impulsi, lo spettro del treno di impulsi, l’uniformità degli impulsi, l’energia e la frequenza di ripetizione degli impulsi.
11. 11. Sistema secondo la rivendicazione 9 o 10, ulteriormente comprendente una guida d’onda, in cui il cristallo non lineare è inserito nella guida d’onda ed in cui l’antenna è posta all’interno o ad un’estremità della guida d’onda.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 11, in cui la guida d’onda (12) comprende un’apertura d’ingresso ed una di uscita per il treno di impulsi laser, l’apertura d’ingresso e l’apertura d’uscita essendo allineate lungo uno stesso asse.
13. 13. Sistema secondo la rivendicazione 9 o 10 o 11 , ulteriormente comprendente mezzi atti a mantenere il cristallo non lineare (4) distaccato dalle pareti della guida d’onda (12).
14. 14. Sistema secondo la rivendicazione 9 o 10, ulteriormente comprendente una cavità risonante (13), in cui il cristallo non lineare è inserito nella cavità risonante ed in cui l’antenna è posta all’interno della cavità.
15. 15. Sistema secondo la rivendicazione 14, in cui la cavità presenta almeno una parete mobile ed in cui il sistema comprende mezzi di movimentazione di detta parete mobile per permettere la sintonizzazione della cavità su una frequenza di risonanza desiderata.
16. 16. Sistema secondo la rivendicazione 15, in cui i mezzi di movimentazione sono attuabili dall’esterno della cavità.
17. 17. Sistema secondo la rivendicazione 14 o 15 o 16, ulteriormente comprendente mezzi atti a mantenere il cristallo non lineare (4) distaccato dalle pareti della cavità (13).
18. 18. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 17, ulteriormente comprendente mezzi di movimentazione del cristallo.
19. 19. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 18, ulteriormente comprendente una lamina atta a modificare la polarizzazione del treno di impulsi laser.
20. 20. Sistema secondo la rivendicazione 19, ulteriormente comprendente mezzi per muovere la lamina a mezz’onda.
21. 21. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 20, in cui l’unità di controllo (10) comprende un monitor, ed in cui il monitor è fissato esternamente ad un alloggiamento (2) che include al suo interno almeno il cristallo non lineare (4) e l’antenna (8), detto alloggiamento presentando almeno una luce d’ingresso (20) per permettere il passaggio del treno di impulsi laser.
22. 22. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 21, in cui l’unità di controllo è atta a campionare il segnale radio ricevuto dall’antenna e a processare il segnale campionato, ed in cui l’unità di controllo determina l’energia di un impulso di detto treno secondo la seguente relazione: , dove V(t) rappresenta l’ampiezza in volt del segnale campionato, S coincide con l’area del fascio laser incidente sul cristallo non lineare (4) ed R è la responsività del sistema calcolata secondo la formula R=V/I con V ampiezza del segnale radio ricevuto e I intensità dell’impulso laser è la responsività fornita dalla procedura di calibrazione. è la durata del singolo impulso.
23. 23. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 10 a 22, in cui l’unità di controllo è atta a determinare l’uniformità degli impulsi mediante un filtro passabasso.