ITTO20111073A1 - Emettitore laser a singola cavita' perfezionato - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“EMETTITORE LASER A SINGOLA CAVITA' PERFEZIONATOâ€

La presente invenzione à ̈ relativa ad un emettitore laser a singola cavità perfezionato.

Come illustrato in figura 1, un emettitore basato sull’amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazione (“light amplification by stimulated emission of radiation†, LASER), cui nel seguito ci si riferisce come all’emettitore laser a singola cavità 1, dispone di una prima cavità ottica 2, la quale à ̈ definita da un primo ed un secondo riflettore 4, 6, i quali sono disposti in modo da definire, all’interno della prima cavità ottica 2, un primo cammino ottico 8 di tipo chiuso. All’interno della prima cavità ottica 2 à ̈ presente un primo elemento attivo 10, il quale à ̈ disposto lungo il primo cammino ottico 8.

Quando al primo elemento attivo 10 viene fornita sufficiente energia tramite un opportuno sistema noto come “pompa†, esso esibisce un guadagno ottico in una regione spettrale detta “banda di amplificazione†, tale guadagno ottico essendo ottenuto prevalentemente per emissione stimolata, in seguito all’inversione di popolazione prodotta dal pompaggio. Pertanto, il primo elemento attivo 10 à ̈ in grado, quando “pompato†, di amplificare radiazione elettromagnetica, purché quest’ultima abbia una lunghezza d’onda che cade all’interno della banda di amplificazione.

In generale, il metodo di pompaggio del primo elemento attivo 10 dipende dalla natura del primo elemento attivo 10 stesso. Ad esempio, il primo elemento attivo 10 può essere formato da un semiconduttore (ad esempio, l’arseniuro di gallio, GaAs), nel qual caso il pompaggio avviene tipicamente mediante impiego di corrente elettrica. Il primo elemento attivo 10 può altresì essere formato da miscele di gas o soluzioni liquide opportunamente drogate, nonché da un supporto solido opportunamente drogato, nel qual caso il pompaggio può avvenire, rispettivamente, mediante impiego di una scarica elettrica, oppure mediante impiego di una radiazione elettromagnetica.

Ciò premesso, in figura 1, e in quelle seguenti, si fa riferimento al caso in cui il pompaggio del primo elemento attivo 10 avviene mediante impiego di una radiazione elettromagnetica P, detta di pompa, la quale ha una lunghezza d’onda di pompa λp, cioà ̈ ha una distribuzione spettrale concentrata intorno alla lunghezza d’onda di pompa λp.

A titolo esemplificativo, la radiazione elettromagnetica di pompa P può essere generata da un altro laser, quale ad esempio un diodo laser a semiconduttore (non mostrato).

In dettaglio, il primo ed il secondo riflettore 4, 6, il primo cammino ottico 8 e la banda di amplificazione del primo elemento attivo 10 sono tali per cui, all’interno della prima cavità ottica 2, si verifica la risonanza di una radiazione elettromagnetica avente una lunghezza d’onda λL, la quale cade all’interno della banda di amplificazione ed à ̈ anche nota come lunghezza d’onda di emissione λL.

In maggior dettaglio, la lunghezza d’onda di emissione λLà ̈ pari a λL=2*L/m, con L pari alla lunghezza della prima cavità ottica 2 ed m intero. Inoltre, assumendo che all’interno della prima cavità ottica 2 sia appunto presente radiazione elettromagnetica alla lunghezza d’onda di emissione λL, alla quale ci si riferisce come alla radiazione risonante, si verifica che le perdite sperimentate dalla radiazione risonante durante la percorrenza del primo cammino ottico 8 sono compensate, alla soglia, dal guadagno fornito dal primo elemento attivo 10.

Ancora più in dettaglio, almeno uno tra il primo ed il secondo riflettore 4, 6 ha una bassa riflettività alla lunghezza d’onda di emissione λL, in modo da consentire ad una frazione della radiazione risonante di propagarsi al di fuori della prima cavità ottica 2. Pertanto, il primo ed il secondo riflettore 4, 6 introducono una sorta di perdita da accoppiamento nei confronti della radiazione risonante, la quale viene compensata, insieme alle perdite causate dalla propagazione lungo il primo cammino ottico 8, dal guadagno fornito dal primo elemento attivo 10 alla lunghezza d’onda di emissione λL. In tal modo, la prima cavità ottica 2 ed il primo elemento attivo 10 definiscono un risonatore ottico attivo, cioà ̈ una struttura ottica che definisce un cammino ottico chiuso, il quale viene percorso ciclicamente dalla radiazione risonante, le perdite associate alla percorrenza di ciascun ciclo essendo complessivamente nulle, il cambiamento di fase sperimentato della radiazione risonante durante ciascun ciclo essendo multiplo intero di 2Ï€.

In pratica, la prima cavità ottica 2 funge da elemento di retroazione e consente di selezionare, all’interno della banda di amplificazione del primo elemento attivo 10, la summenzionata lunghezza d’onda di emissione λL.

Ciò premesso, tipicamente il primo riflettore 4 ha un picco ad elevata riflettività (idealmente, pari al 100%, ma in pratica, molto spesso, superiore al 95%) alla lunghezza d’onda di emissione λL, mentre il secondo riflettore 6, pur esibendo anch’esso, in genere, un picco di riflettività alla lunghezza d’onda di emissione λL, à ̈ parzialmente trasparente, cioà ̈ ha una riflettività inferiore al 10%. Pertanto, à ̈ comune riferirsi al primo ed al secondo riflettore 4, 6 rispettivamente come al riflettore alto (“high reflector†, HR) ed all’accoppiatore di uscita (“output coupler†, OC). Inoltre, sia il primo sia il secondo riflettore 4, 6 possono essere trasparenti alla lunghezza d’onda di pompa λp; alternativamente, ed in funzione dello schema di pompaggio, uno tra il primo ed il secondo riflettore 4, 6 può avere un’elevata riflettività in corrispondenza della lunghezza d’onda di pompa λp. Un possibile esempio degli andamenti, in funzione della lunghezza d’onda, delle riflettività R4, R6del primo e del secondo riflettore 4, 6 à ̈ riportato in figura 2.

Per quanto concerne il primo elemento attivo 10, tipicamente le sue proprietà vengono descritte mediante impiego di diversi parametri, tra cui la sezione trasversale (“cross-section†) di assorbimento e la crosssection di emissione.

In generale, la cross-section di assorbimento indica, dato un quanto di una radiazione elettromagnetica che incide sul primo elemento attivo 10 con una lunghezza d’onda di prova, la probabilità che tale quanto incidente sia assorbito dal primo elemento attivo 10, con conseguente transizione di una molecola/atomo/ione (a seconda dei casi) del primo elemento attivo 10 ad un livello energetico superiore. Quantitativamente, la cross-section di assorbimento à ̈ pari al rapporto tra il coefficiente di assorbimento del primo elemento attivo 10 e la densità di molecole/atomi/ioni assorbenti presenti all’interno del primo elemento attivo 10.

Similmente, la cross-section di emissione indica la probabilità che il summenzionato quanto incidente induca un evento di emissione stimolata, con conseguente transizione di una molecola/atomo/ione (a seconda dei casi) del primo elemento attivo 10 ad un livello energetico inferiore.

Un possibile esempio degli andamenti in funzione della lunghezza d’onda della cross-section di assorbimento σAe della cross-section di emissione σEdel primo elemento attivo 10 à ̈ mostrato in figura 3; in particolare, gli andamenti mostrati si riferiscono ad un sistema laser cosiddetto a tre livelli.

In dettaglio, la figura 3 evidenzia la presenza di una regione ad elevata cross-section di assorbimento σA, la quale presenta un picco PσA, ed al cui interno cade la lunghezza d’onda di pompa λp; il picco PσAsi trova ad una lunghezza d’onda λσA. Inoltre, la figura 3 evidenzia la presenza di una regione ad elevata cross-section di emissione σE, la quale definisce la banda di amplificazione del primo elemento attivo 10 e presenta un rispettivo picco PσE, il quale si trova ad una lunghezza d’onda λσE. La lunghezza d’onda di emissione λLcade all’interno della regione ad elevata cross-section di emissione σE.

In pratica, si verifica che, tanto più la lunghezza d’onda di pompa λpà ̈ prossima alla lunghezza d’onda λσAdel picco PσA, tanto minore può essere la lunghezza del primo elemento attivo 10, a parità di assorbimento della pompa.

Nel caso dei cosiddetti laser allo stato solido, il primo elemento attivo 10 à ̈ realizzato mediante un cristallo, oppure mediante un disco o una barra di vetro o di un composto ceramico. Riferendosi, a seconda dei casi, al cristallo, al disco/barra di vetro o di composto ceramico come al supporto (o matrice), tale supporto à ̈ reso attivo mediante drogaggio con opportune specie droganti, quali ad esempio ioni delle cosiddette terre rare o ioni di metalli di transizione.

Relativamente al primo ed al secondo riflettore 4, 6, essi possono essere formati da specchi dicroici discreti, otticamente allineati al primo elemento attivo 10. Uno di tali specchi dicroici ha, in genere, un’elevata riflettività in un intervallo di lunghezze d’onda alquanto ridotto (tipicamente, dell’ordine di pochi nanometri), per consentire la selezione della lunghezza d’onda di emissione λL, mentre l’altro specchio dicroico può anche essere non selettivo in lunghezza d’onda, e dunque può essere realizzato sfruttando la riflessione di Fresnel che si verifica all’interfaccia tra il primo elemento attivo 10 e l’ambiente esterno.

Nel caso dei cosiddetti laser in fibra, il primo elemento attivo 10 à ̈ formato da un tratto di fibra ottica drogato con un’opportuna specie drogante, quale ad esempio uno ione delle cosiddette terre rare. Inoltre, il primo ed il secondo riflettore 4, 6 possono essere formati da corrispondenti specchi dicroici, allineati al primo elemento attivo 10, oppure possono essere formati da corrispondenti reticoli di Bragg, formati all’interno di corrispondenti tratti di fibra ottica. In questo secondo caso, à ̈ possibile ottenere emettitori laser realizzati interamente in fibra ottica.

Un possibile esempio di emettitore laser in fibra, indicato nel suo complesso con 20 ed al quale ci si riferisce in seguito come all’emettitore laser in fibra a singola cavità 20, à ̈ mostrato in figura 4.

In dettaglio, l’emettitore laser in fibra a singola cavità 20 comprende una pluralità di diodi laser a semiconduttore 22, ciascuno dei quali emette radiazione elettromagnetica di pompa alla lunghezza d’onda di pompa λped à ̈ accoppiato in uscita ad un rispettivo collegamento ottico iniziale 24, ad esempio realizzato in fibra ottica.

I collegamenti ottici iniziali 24 sono a loro volta collegati in ingresso ad un accoppiatore di potenza 26, ad esempio formato da un accoppiatore in fibra ottica ad N ingressi ed un’uscita, il quale à ̈ collegato in uscita ad un primo tratto (“span†) di fibra ottica 28. Nel loro insieme, i diodi laser a semiconduttore 22, i collegamenti ottici iniziali 24 e l’accoppiatore di potenza 26 formano un sistema laser di alimentazione 30 (“laser feed†) che fornisce la radiazione elettromagnetica di pompa al primo elemento attivo.

Nel primo tratto di fibra ottica 28 sono formati un primo ed un secondo reticolo di Bragg 34, 36, i quali fungono rispettivamente da primo e secondo riflettore. La prima cavità ottica, qui indicata con 42, à ̈ dunque definita dalla porzione del primo tratto di fibra ottica 28 delimitata dal primo e dal secondo reticolo di Bragg 34, 36, tale porzione essendo indicata con 29.

Riferendosi alla porzione del primo tratto di fibra ottica delimitata dal primo e dal secondo reticolo di Bragg 34, 36 come alla prima porzione attiva 29, tale prima porzione attiva 29, o almeno una sua sottoporzione, sono drogate con ioni di un primo materiale, in maniera tale per cui la prima porzione attiva 29 definisce il primo elemento attivo. Nell’esempio mostrato in figura 4, si à ̈ assunto che l’intera prima porzione attiva 29 sia drogata.

Tipicamente, nel caso di laser di potenza per lavorazioni industriali, la prima porzione attiva 29 à ̈ formata da una fibra ottica a doppio mantello (“cladding†), il cui nucleo (“core†) à ̈ drogato, ad esempio, con itterbio (Yb). Inoltre, tipicamente il primo reticolo di Bragg 34 ha un picco di riflettività prossimo al 99% all’interno di una banda centrata attorno alla lunghezza d’onda di emissione λLe con ampiezza dell’ordine di pochi nanometri; il secondo reticolo di Bragg 36 ha a sua volta un picco di riflettività, tipicamente compreso tra 4% e 20%, ubicato all’interno di una banda centrata ancora attorno alla lunghezza d’onda di emissione λLe con ampiezza variabile da frazioni di nanometro a pochi nanometri.

Ciò premesso, sono inoltre noti emettitori laser del tipo mostrato in figura 5, in cui à ̈ mostrato un emettitore laser a doppia cavità 50. Componenti dell’emettitore laser a doppia cavità 50 già mostrati in figura 1 sono indicati con i medesimi numeri di riferimento.

In dettaglio, l’emettitore laser a doppia cavità 50 comprende una seconda cavità ottica 52, la quale à ̈ definita da un terzo e da un quarto riflettore 54, 56 e definisce un secondo cammino ottico 58. Il terzo ed il quarto riflettore 54, 56 fungono rispettivamente da riflettore alto e da accoppiatore di uscita della seconda cavità ottica 52.

Più in particolare, la seconda cavità ottica 52 à ̈ disposta a valle della prima cavità ottica 2. In altre parole, il primo, il secondo, il terzo ed il quarto riflettore 4, 6, 54, 56 sono disposti in successione. Inoltre, all’interno della seconda cavità ottica 52 à ̈ presente un secondo elemento attivo 60.

Il funzionamento dell’emettitore laser a doppia cavità 50 può essere descritto nel seguente modo.

Come descritto in precedenza, quando il primo elemento attivo 10 à ̈ pompato alla lunghezza d’onda λP, esso amplifica radiazione elettromagnetica che risuona all’interno della prima cavità ottica 2, alla quale ci si riferisce in seguito come alla radiazione elettromagnetica intermedia o segnale intermedio; si assume, inoltre, che tale radiazione elettromagnetica intermedia abbia una lunghezza d’onda intermedia λL1. Parte della radiazione elettromagnetica intermedia attraversa il secondo ed il terzo riflettore 6, 54 e viene quindi assorbita almeno in parte dal secondo elemento attivo 60. In seguito all’assorbimento di tale parte della radiazione elettromagnetica intermedia, il secondo elemento attivo 60 amplifica, per emissione stimolata, radiazione elettromagnetica finale ad una lunghezza d’onda finale λL2, la quale risuona nella seconda cavità ottica 52. Parte della radiazione elettromagnetica finale attraversa il quarto riflettore 56 ed à ̈ utilizzabile ai fini applicativi.

In pratica, quando à ̈ pompato in modo opportuno, il primo elemento attivo 10 amplifica radiazione elettromagnetica avente una lunghezza d’onda che cade in una banda di assorbimento del secondo elemento attivo 60, e dunque pompa il secondo elemento attivo 60.

La figura 6 mostra un esempio di un emettitore laser a doppia cavità realizzato in fibra ottica, indicato nel suo complesso con 70, ed al quale ci si riferisce in seguito come all’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70. Componenti dell’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70 già mostrati in figura 4 sono indicati con i medesimi numeri di riferimento.

In dettaglio, l’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70 comprende un secondo tratto di fibra ottica 72, connesso al primo tratto di fibra ottica 28. All’interno del secondo tratto di fibra ottica 72 sono formati un terzo ed un quarto reticolo di Bragg 74, 76.

La seconda cavità ottica, qui indicata con 82, à ̈ definita dalla porzione del secondo tratto di fibra ottica 72 delimitata dal terzo e dal quarto reticolo di Bragg 74, 76, tale porzione essendo indicata con 79. Il terzo ed il quarto reticolo di Bragg 74, 76 fungono da terzo e da quarto riflettore, ossia da riflettore alto e da accoppiatore di uscita della seconda cavità ottica 82.

Riferendosi alla porzione del secondo tratto di fibra ottica delimitata dal terzo e dal quarto reticolo di Bragg 74, 76 come alla seconda porzione attiva 79, tale seconda porzione attiva 79, o almeno una sua sottoporzione, sono drogate con ioni di un secondo materiale, in maniera tale per cui la seconda porzione attiva 79 definisce il secondo elemento attivo. Nell’esempio mostrato in figura 6, si à ̈ assunto che l’intera seconda porzione attiva 79 sia drogata.

In pratica, il funzionamento dell’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70 à ̈ del tipo descritto a proposito della figura 5. Pertanto, in uso, si verifica la risonanza, all’interno della prima cavità ottica 42, della radiazione elettromagnetica intermedia, nonché la risonanza, all’interno della seconda cavità ottica 82, della radiazione elettromagnetica finale. Parte della radiazione elettromagnetica finale attraversa il quarto reticolo di Bragg 76 ed à ̈ utilizzabile ai fini applicativi.

In maggior dettaglio, al fine di consentire il funzionamento descritto, il primo ed il terzo reticolo di Bragg 34, 74 hanno un profilo di riflettività simile a quello indicato con R4nella figura 2, ma con un picco centrato rispettivamente alla lunghezza d’onda intermedia λL1ed alla lunghezza d’onda finale λL2. Inoltre, il secondo ed il quarto reticolo di Bragg 36, 76 hanno un profilo di riflettività simile a quello indicato con R6nella figura 2, ma con un picco centrato rispettivamente alla lunghezza d’onda intermedia λL1ed alla lunghezza d’onda finale λL2.

In pratica, l’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70 à ̈ formato da due laser disposti in cascata, in modo da implementare un pompaggio indiretto.

Ciascuno dei due laser in cascata dell’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70 potrebbe dunque operare indipendentemente dall’altro (nel caso del secondo laser, purché si disponga di un pompaggio esterno, alla lunghezza d’onda intermedia λL1). Inoltre, à ̈ possibile che il secondo ed il terzo reticolo di Bragg 36, 74 siano sostituiti da un singolo reticolo di Bragg, il quale esibisce un profilo di riflettività caratterizzato da un alto valore di riflettività alla lunghezza d’onda finale λL2e da un basso valore di riflettività alla lunghezza d’onda intermedia λL1.

Una nota applicazione dell’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70 afferisce alla generazione di radiazione elettromagnetica ad una lunghezza d’onda prossima a 2 Î1⁄4m, la quale appartiene alla regione spettrale cosiddetta sicura per l’occhio (“eye-safe†) e si presta a numerose applicazioni di tipo industriale e medicale.

Al fine di generare radiazione elettromagnetica alla lunghezza d’onda di circa 2 Î1⁄4m, à ̈ ad esempio possibile avvalersi dell’emettitore laser in fibra a singola cavità 20, previo drogaggio della prima porzione attiva 29 con ioni di tulio. Tuttavia, per ottenere un’elevata efficienza, un tale emettitore dovrebbe essere pompato con una radiazione elettromagnetica di pompa P ad una lunghezza d’onda nella regione 785 nm – 793 nm, dal momento che il tulio esibisce un picco primario di assorbimento nell’intorno di queste lunghezze d’onda. Sfortunatamente, però, i diodi laser capaci di emettere nell’intorno di 785 nm sono oggi molto costosi, rendendo poco conveniente adottare l’emettitore laser in fibra a singola cavità 20; al contrario, l’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70 consente di ovviare a tale problema.

In particolare, se il primo ed il secondo materiale, con cui sono drogate rispettivamente la prima e la seconda porzione attiva 29, 79, sono rispettivamente itterbio e tulio, e se la lunghezza d’onda di pompa λpdella radiazione elettromagnetica di pompa emessa dai diodi laser a semiconduttore 22 à ̈ compresa tra 900 e 980 nm, si verifica che il primo materiale (itterbio) assorbe almeno parte della radiazione elettromagnetica di pompa, dal momento che la lunghezza d’onda di pompa λpcade in una regione di assorbimento del primo materiale. Infatti, l’itterbio si caratterizza per una regione di assorbimento compresa appunto tra 900 e 980 nm.

In seguito all’assorbimento della radiazione elettromagnetica di pompa, il primo elemento attivo amplifica per emissione stimolata la radiazione elettromagnetica intermedia, la cui lunghezza d’onda intermedia λL1à ̈ compresa tra 1050 e 1150 nm. Dal momento che il tulio si caratterizza per un picco secondario di assorbimento nell’intorno dei 1100 nm, parte della radiazione elettromagnetica intermedia viene assorbita dal secondo materiale (tulio) del secondo elemento attivo, il quale in risposta amplifica, per emissione stimolata, la radiazione elettromagnetica finale, la cui lunghezza d’onda finale λL2à ̈ appunto pari a circa 2 Î1⁄4m.

Dal momento che sono oggi disponibili diodi laser a basso costo e capaci di emettere radiazione elettromagnetica avente un’apprezzabile potenza e lunghezza d’onda compresa tra 900 e 980 nm, l’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70 rappresenta una soluzione ai problemi derivanti dall’impiego dell’emettitore laser in fibra a singola cavità 20. Tuttavia, l’efficienza dell’emettitore laser in fibra a doppia cavità 70, cioà ̈ il rapporto tra i) la potenza della frazione della radiazione elettromagnetica finale che attraversa il quarto reticolo di Bragg 76 e ii) la potenza della radiazione elettromagnetica di pompa fornita complessivamente dai diodi laser a semiconduttore 22, à ̈ bassa. Infatti, il picco secondario di assorbimento del tulio, disposto nell’intorno di 1100 nm, à ̈ molto inferiore al picco primario di assorbimento, disposto nell’intorno di 785 nm.

Analoghe considerazioni possono essere fatte, in generale, a proposito dell’emettitore laser a doppia cavità 50, cioà ̈ indipendentemente dai dettagli realizzativi della prima e della seconda cavità ottica, nonché del primo e del secondo elemento attivo.

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un emettitore laser che risolva almeno in parte gli inconvenienti dell’arte nota.

Secondo l'invenzione, viene fornito un emettitore laser come definito nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- le figure 1 e 5 mostrano schemi a blocchi di principio di emettitori laser di tipo noto;

- la figura 2 mostra gli andamenti delle riflettività di due riflettori dell’emettitore laser mostrato in figura 1, in funzione della lunghezza d’onda;

- la figura 3 mostra gli andamenti della cross-section di assorbimento e della cross-section di emissione di un elemento attivo dell’emettitore laser mostrato in figura 1, in funzione della lunghezza d’onda;

- le figure 4 e 6 mostrano schemi a blocchi di esempi di emettitori laser di tipo noto;

- la figura 7 mostra uno schema a blocchi di principio dell’emettitore laser secondo la presente invenzione;

- la figura 8 mostra gli andamenti della cross-section di assorbimento e della cross-section di emissione di un primo ed un secondo elemento attivo dell’emettitore laser mostrato in figura 7;

- la figura 9 mostra gli andamenti delle riflettività di un primo ed un secondo riflettore dell’emettitore laser mostrato in figura 7, in funzione della lunghezza d’onda; e - le figure 10 e 11 mostrano schemi a blocchi di forme di realizzazione del presente emettitore laser.

La figura 7 mostra un emettitore laser 90, il quale comprende una cavità ottica 92, delimitata da un primo ed un secondo riflettore 94, 96 ed atta a ricevere una radiazione elettromagnetica di pompa P. All’interno della cavità ottica 92 si estende un cammino ottico 98.

L’emettitore laser 90 comprende inoltre un primo ed un secondo elemento attivo 100, 102, ciascuno dei quali si caratterizza per il fatto di esibire, se pompato, un guadagno in una corrispondente banda di amplificazione. Sia il primo che il secondo elemento attivo 100, 102 sono disposti lungo il cammino ottico 98. Inoltre, il primo elemento attivo 100 à ̈ formato da un primo supporto (non mostrato) drogato con molecole, oppure atomi, oppure ioni di un primo materiale, mentre il secondo elemento attivo 102 à ̈ formato da un secondo supporto (non mostrato) drogato con molecole, oppure atomi, oppure ioni di un secondo materiale; come descritto in maggior dettaglio in seguito, il primo ed il secondo supporto possono coincidere. In pratica, il primo ed il secondo materiale fungono rispettivamente da prima e da seconda specie drogante.

La cavità ottica 92 ed il primo elemento attivo 100 formano un primo dispositivo laser; inoltre, la cavità ottica 92 ed il secondo elemento attivo 102 formano un secondo dispositivo laser. Il primo ed il secondo dispositivo laser condividono dunque la cavità ottica 92.

In maggior dettaglio, il primo materiale ha una prima cross-section di assorbimento σA1ed una prima cross-section di emissione σE1che seguono andamenti, in funzione della lunghezza d’onda, del tipo mostrato in figura 8. In modo di per sé noto, tali andamenti dipendono anche dal primo supporto, in maniera tale per cui, a rigore, la prima cross-section di assorbimento σA1e la prima cross-section di emissione σE1si riferiscono al primo elemento attivo 100; tuttavia, per semplicità, nel seguito si riferiscono tali cross-section al primo materiale. Analoghe considerazioni valgono per il secondo materiale ed il secondo elemento attivo 102.

Ciò premesso, la prima cross-section di assorbimento σA1presenta un primo picco di assorbimento PσA1, il quale si trova all’interno di una prima regione ad assorbimento non nullo, ed in particolare si trova ad una lunghezza d’onda di primo picco di assorbimento λσA1; inoltre, la prima cross-section di emissione σE1presenta un primo picco di emissione PσE1, il quale si trova all’interno di una corrispondente prima regione ad emissione non nulla, ed in particolare si trova ad una lunghezza d’onda di primo picco di emissione λσE1.

Il secondo materiale ha una seconda cross-section di assorbimento σA2ed una seconda cross-section di emissione σE2. In particolare, la seconda cross-section di assorbimento σA2presenta un secondo picco di assorbimento PσA2, il quale si trova all’interno di una seconda regione ad assorbimento non nullo, ed in particolare si trova ad una lunghezza d’onda di secondo picco di assorbimento λσA2; inoltre, la seconda cross-section di emissione σE2presenta un secondo picco di emissione PσE2, il quale si trova all’interno di una corrispondente seconda regione ad emissione non nulla, ed in particolare si trova ad una lunghezza d’onda di secondo picco di emissione λσE2.

In pratica, il primo elemento attivo 100 à ̈ tale per cui, quando pompato con radiazione elettromagnetica di pompa avente una lunghezza d’onda di pompa λpche cade nella prima regione di assorbimento non nullo (e pari, preferibilmente, alla lunghezza d’onda di primo picco di assorbimento λσA1), esso amplifica, per emissione stimolata, radiazione elettromagnetica ad una lunghezza d’onda intermedia λL1. La lunghezza d’onda intermedia λL1dipende, in modo di per sé noto, dalla cavità ottica 92 (inclusi il primo ed il secondo riflettore) e dal primo elemento attivo 100, dal momento che la radiazione elettromagnetica amplificata dal primo materiale, alla quale ci si riferisce anche come alla radiazione elettromagnetica intermedia, risuona all’interno della cavità ottica 92.

Il secondo materiale à ̈ tale per cui, quando pompato da radiazione elettromagnetica avente lunghezza d’onda che cade nella seconda regione di assorbimento non nullo (e pari, preferibilmente, alla lunghezza d’onda di secondo picco di assorbimento λσA2), esso amplifica, per emissione stimolata, radiazione elettromagnetica ad una lunghezza d’onda d’uscita λL2. La radiazione elettromagnetica amplificata dal secondo materiale rappresenta una radiazione elettromagnetica di uscita; inoltre, la lunghezza d’onda d’uscita λL2dipende, in modo di per sé noto, dalla cavità ottica 92 (inclusi il primo ed il secondo riflettore) e dalle caratteristiche del secondo elemento attivo 102, dal momento che la radiazione elettromagnetica di uscita risuona all’interno della cavità ottica 92.

In pratica, la radiazione elettromagnetica intermedia à ̈ adatta a pompare il secondo materiale.

Per quanto concerne il primo ed il secondo riflettore 94, 96, essi hanno rispettivamente una prima ed una seconda riflettività R94, R96, i cui andamenti in funzione della lunghezza d’onda sono riportati in figura 9.

In dettaglio, la prima riflettività R94esibisce un primo ed un secondo massimo PHR1, PHR2, rispettivamente ad una lunghezza d’onda di prima e di seconda riflettività λHR1, λHR2. Il primo ed il secondo massimo PHR1, PHR2possono essere superiori a 50%; preferibilmente, il primo ed il secondo massimo PHR1, PHR2sono almeno pari a 99%.

La seconda riflettività R96esibisce un terzo ed un quarto massimo POC1, POC2, rispettivamente ad una lunghezza d’onda di terza e di quarta riflettività λOC1, λOC2. La lunghezza d’onda di terza riflettività λOC1può essere ad esempio pari alla lunghezza d’onda di prima riflettività λHR1, mentre la lunghezza d’onda di quarta riflettività λOC2può essere ad esempio pari alla lunghezza d’onda di seconda riflettività λHR2. Inoltre, il terzo massimo POC1à ̈ superiore al 50%, mentre il quarto massimo POC2à ̈ inferiore al 50%. Preferibilmente, il terzo massimo POC1à ̈ almeno pari a 99%, mentre il quarto massimo POC2à ̈ compreso tra 4% e 10%. A titolo esemplificativo, nell’esempio mostrato in figura 9 il primo ed il terzo massimo PHR1, POC1sono uguali.

Sebbene gli andamenti mostrati in figura 9 facciano riferimento al caso particolare in cui sia primo sia il secondo riflettore 94, 96 sono sostanzialmente trasparenti per lunghezze d’onda differenti dalle lunghezze d’onda λHR1=λOC1e λHR2=λOC2, sono tuttavia possibili forme di realizzazione in cui almeno uno tra il primo ed il secondo riflettore 94, 96 esibisce ulteriori picchi di riflettività, ad esempio alla lunghezza d’onda di pompa λp.

In maggior dettaglio, il primo ed il secondo supporto del primo e del secondo elemento attivo 100, 102 possono essere formati, ad esempio, da un primo e da un secondo cristallo, oppure da una prima ed una seconda barra di vetro (o porzione di fibra ottica), oppure da un primo ed un secondo disco di vetro, oppure ancora da un primo ed un secondo elemento ceramico, o una combinazione di essi.

Si noti, inoltre, che la disposizione del primo e del secondo elemento attivo 100, 102 mostrata in figura 7 à ̈ puramente esemplificativa; ad esempio, l’ordine del primo e del secondo elemento attivo 100, 102 può essere invertito. Inoltre, come precedentemente accennato, à ̈ possibile che il primo ed il secondo supporto coincidano, e quindi che il primo ed il secondo elemento attivo 100, 102 siano integrati in un singolo elemento attivo (non mostrato). Tale singolo elemento attivo à ̈ formato da un rispettivo supporto, formato ad esempio da un gas, oppure da un singolo cristallo, oppure da un composto ceramico, oppure da una singola barra di vetro o fibra ottica, tale supporto essendo drogato con ioni/atomi/molecole sia del primo sia del secondo materiale. In altre parole, il primo ed il secondo elemento attivo 100, 102 possono non essere fisicamente distinti.

A titolo puramente esemplificativo, nel caso di laser allo stato solido o in fibra ottica, sia il primo che il secondo materiale possono essere elementi appartenenti al cosiddetto gruppo delle terre rare (ad esempio, neodimio (Nd), itterbio (Yb), erbio (Er), tulio (Tm), praseodimio (Pr), olmio (Ho), eccetera) o dei metalli di transizione.

Ciò premesso, la figura 10 illustra una forma di realizzazione dell’emettitore laser 90, alla quale ci si riferisce come all’emettitore laser in fibra ottica a singola cavità 110. Relativamente alla figura 10, elementi già mostrati in figura 6 sono indicati con i medesimi numero di riferimento, salvo laddove specificato diversamente.

In dettaglio, l’emettitore laser in fibra ottica a singola cavità 110 comprende il sistema laser di alimentazione 30, nonché un primo ed un secondo tratto di fibra ottica 114, 116, tra loro connessi tramite un giunto 118. All’interno del primo e del secondo tratto di fibra ottica 114, 116 sono rispettivamente formati un primo ed un secondo reticolo di Bragg 124, 126, i quali fungono rispettivamente da primo e da secondo riflettore 94, 96 e delimitano, quindi, la cavità ottica, qui indicata come 132.

In maggior dettaglio, la cavità ottica 132 à ̈ definita dalle porzioni del primo e del secondo tratto di fibra ottica 114, 116 delimitate dal primo e dal secondo reticolo di Bragg 124, 126. Inoltre, il primo tratto di fibra ottica 114 comprende almeno una prima porzione drogata 140 (mostrata in modo qualitativo), compresa tra il primo reticolo di Bragg 124 ed il giunto 118, mentre il secondo tratto di fibra ottica 116 comprende almeno una seconda porzione drogata 142 (mostrata in modo qualitativo), compresa tra il giunto 118 ed il secondo reticolo di Bragg 126.

La prima e la seconda porzione drogata 140, 142 sono drogate, rispettivamente, con il primo ed il secondo materiale, o viceversa. Più in particolare, ciascuna tra la prima e la seconda porzione drogata 140, 142 comprende una rispettiva porzione di nucleo ed almeno una rispettiva porzione di mantello (non mostrate), la porzione di nucleo essendo appunto drogata alternativamente con il primo o il secondo materiale. A titolo esemplificativo, in figura 10 sono mostrate la porzione di nucleo 141a e la porzione di mantello 141b della prima porzione drogata 140.

In modo di per sé noto, la prima e la seconda porzione drogata 140, 142, ed in particolare le rispettive porzioni di nucleo e di mantello, possono altresì essere drogate con ulteriori specie droganti, differenti dal primo e dal secondo materiale, le quali non danno origine a fenomeni di assorbimento e di emissione stimolata. Ad esempio, in modo di per sé noto, tali ulteriori specie droganti possono assolvere la funzione di garantire un salto di indice di rifrazione tra il nucleo ed il mantello del primo e del secondo tratto di fibra ottica 114, 116.

In pratica, la prima e la seconda porzione drogata 140, 142 fungono, rispettivamente, da primo e da secondo elemento attivo 100, 102, i quali sono dunque fisicamente distinti e sono formati all’interno di corrispondenti tratti di fibra ottica. Inoltre, le porzioni del primo e del secondo tratto di fibra ottica 114, 116 delimitate dal primo e dal secondo reticolo di Bragg 124, 126 definiscono il cammino ottico.

Eventualmente, la prima porzione drogata 140 può estendersi a partire dal primo reticolo di Bragg 124 fino al giunto 118, e la seconda porzione drogata 142 può estendersi a partire dal giunto 118 fino al secondo reticolo di Bragg 126.

La figura 11 illustra una differente forma di realizzazione dell’emettitore laser 90, alla quale ci si riferisce come all’emettitore laser in fibra ottica a singola cavità a singolo elemento attivo 150. Relativamente alla figura 11, elementi già mostrati in figura 6 sono indicati con i medesimi numero di riferimento, salvo laddove specificato diversamente.

In dettaglio, l’emettitore laser in fibra ottica a singola cavità a singolo elemento attivo 150 comprende, oltre al sistema laser di alimentazione 30, il primo tratto di fibra ottica 114, al cui interno sono formati il primo ed il secondo reticolo di Bragg 124, 126. La cavità ottica, qui indicata con 152, à ̈ definita dalla porzione del primo tratto di fibra ottica 114 compresa tra il primo ed il secondo reticolo di Bragg 124, 126. Inoltre, il primo tratto di fibra ottica 114 comprende almeno una zona attiva 160, ossia una porzione drogata con il primo e con il secondo materiale. La zona attiva 160 à ̈ compresa tra il primo ed il secondo reticolo di Bragg 124, 126 e funge da primo e da secondo elemento attivo 100, 102. Inoltre, la porzione del primo tratto di fibra ottica 114 compresa tra il primo ed il secondo reticolo di Bragg 124, 126 definisce il cammino ottico.

Più in dettaglio, la zona attiva 160 à ̈ formata da una rispettiva porzione di nucleo 161a e da una rispettiva porzione di mantello 161b, ciascuna della quali può essere drogata con il primo e/o il secondo materiale. A titolo esemplificativo, in figura 11 si à ̈ assunto che la porzione di nucleo 161a sia drogata con il primo e con il secondo materiale (indicati rispettivamente con M1e M2), e che la porzione di mantello 161b sia drogata solamente con il secondo materiale.

In generale, sia nel caso della forma di realizzazione illustrata in figura 10, sia nel caso della forma di realizzazione illustrata in figura 11, ciascuno tra il primo ed il secondo reticolo Bragg 124, 126 può essere formato da un singolo reticolo di Bragg o da una pluralità di reticoli di Bragg in fibra (o in alternativa da una combinazione di reticoli in fibra e riflettori dicroici discreti), purché l’andamento spettrale della riflettività risultante sia del tipo mostrato in figura 9.

In pratica, il primo ed il secondo dispositivo laser contenuti all’interno dell’emettitore laser 90 interagiscono tra loro e, grazie al fatto che condividono la cavità ottica 92, consentono di ottimizzare l’interazione tra il secondo materiale e la radiazione elettromagnetica amplificata dal primo materiale. Inoltre, il fattore di sovrapposizione (“overlap factor†) tra la radiazione elettromagnetica emessa dal primo materiale ed il secondo materiale (più precisamente, il secondo elemento attivo) risulta incrementato.

Si noti inoltre che, a differenza di quanto avviene nell’arte nota, la radiazione elettromagnetica intermedia e la radiazione elettromagnetica di uscita risuonano all’interno di una medesima cavità. In altre parole, la radiazione elettromagnetica intermedia e la radiazione elettromagnetica di uscita risuonano entrambe lungo il cammino ottico 98. Eventualmente, nel caso in cui il primo ed il secondo riflettore 94, 96 siano implementati in modo tale per cui la radiazione elettromagnetica intermedia e la radiazione elettromagnetica di uscita penetrano all’interno di tali primo e secondo riflettore 94, 96 con profondità differenti, la radiazione tra la radiazione elettromagnetica intermedia e la radiazione elettromagnetica di uscita che ha maggior profondità di penetrazione percorre in ogni caso l’intero cammino ottico percorso dall’altra.

In aggiunta, all’interno della cavità ottica 92 sono presenti riflessioni trascurabili; a tal fine, nel caso in cui il primo ed il secondo elemento attivo 100, 102 siano fisicamente distinti, à ̈ possibile inserire un adattatore di impedenza tra il primo ed il secondo elemento attivo 100, 102. In tal modo, ad esclusione delle discontinuità definite dal primo e dal secondo riflettore 94, 96, né la radiazione elettromagnetica intermedia né la radiazione elettromagnetica di uscita sperimentano, nel propagarsi lungo il cammino ottico 98, riflessioni superiori a quella definita dalla minore tra le riflettività del primo e del secondo reticolo di Bragg 124, 126. In particolare, nel caso della forma di realizzazione mostrata in figura 11, e nell’ipotesi in cui la zona attiva 160 occupi interamente la porzione di fibra ottica compresa tra il primo ed il secondo reticolo di Bragg 124, 126, il cammino ottico ha un’impedenza sostanzialmente costante.

I vantaggi che il presente emettitore laser consente di ottenere emergono dunque chiaramente dalla descrizione precedente. In particolare, il presente emettitore laser si caratterizza per un’elevata efficienza, dal momento che la radiazione elettromagnetica intermedia pompa il secondo materiale senza dover attraversare alcun riflettore.

Risulta infine evidente che al presente emettitore laser possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione.

In particolare, il primo ed il secondo elemento attivo, oltre che fisicamente indistinguibili, possono essere allo stato gassoso. In tal caso, il singolo elemento attivo, il quale definisce sia il primo sia il secondo elemento attivo, à ̈ formato da una miscela di almeno due gas. E’ inoltre possibile che tale singolo elemento attivo sia formato da una soluzione di almeno due liquidi.

In aggiunta, à ̈ possibile che all’interno della cavità ottica siano presenti ulteriori elementi attivi, oltre al primo ed al secondo elemento attivo, quali ad esempio mezzi non lineari.

E’ dunque possibile che all’interno della cavità ottica siano presenti N (con N>2) elementi attivi tali per cui, assumendo un indice i che va da 1 a N-1, l’i-esimo elemento attivo, quando pompato, amplifica per emissione stimolata una radiazione ad una lunghezza d’onda λi, la quale cade in una regione di assorbimento di un j-esimo elemento attivo (con j=i+1). L’i-esimo elemento attivo pompa dunque il j-esimo elemento attivo. In tal caso, il primo reticolo di cavità ha una riflettività elevata (ad esempio, superiore al 50%) per tutte le lunghezze d’onda λi, con i compreso tra 1 ed N; inoltre, il secondo reticolo di cavità ha una riflettività elevata (ad esempio, superiore al 50%) per tutte le lunghezze d’onda λi, con i compreso tra 1 ed N-1, ma ha una riflettività ridotta (ad esempio, inferiore al 50%) per la lunghezza d’onda λN. Il tal modo, il primo ed il secondo reticolo di cavità continuano a fungere da riflettore alto e da accoppiatore di uscita per la radiazione alla lunghezza d’onda λN.

A titolo esemplificativo, con particolare riferimento al caso in cui tre elementi attivi sono fisicamente integrati in un singolo elemento attivo (disposto all’interno della cavità ottica), à ̈ possibile drogare un supporto, quale ad esempio un vetro, un cristallo, una fibra ottica o un materiale ceramico, con ioni di itterbio, tulio e olmio. In tal modo, la radiazione emessa, come precedentemente descritto, dagli ioni di tulio pompa gli ioni di olmio, i quali a loro volta amplificano radiazione elettromagnetica per emissione stimolata, la radiazione elettromagnetica amplificata avendo una lunghezza d’onda superiore a 2000 nm.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Emettitore laser comprendente: - una cavità ottica (92;132;152) delimitata da un primo ed un secondo riflettore ottico (94,96;124,126); - un primo elemento attivo (100;140;160), disposto all’interno di detta cavità ottica e configurato per assorbire energia e per amplificare, mediante emissione stimolata, una radiazione elettromagnetica intermedia in modo che risuoni in detta cavità ottica; ed - un secondo elemento attivo (102;142;160), disposto all’interno di detta cavità ottica e configurato per assorbire detta radiazione elettromagnetica intermedia e per amplificare, mediante emissione stimolata, una radiazione elettromagnetica di uscita in modo che risuoni in detta cavità ottica.
2. 2. Emettitore laser secondo la rivendicazione 1, in cui detti primo e secondo riflettore ottico (94,96;124,126) sono disposti in modo da definire un cammino ottico (98) di tipo chiuso, detti primo e secondo elemento attivo (100,102;140,142;160) essendo disposti lungo detto cammino ottico ed essendo configurati in modo che detta radiazione elettromagnetica intermedia e detta radiazione elettromagnetica di uscita risuonino lungo detto cammino ottico.
3. 3. Emettitore laser secondo la rivendicazione 2, in cui detto cammino ottico (98) ha sostanzialmente una medesima impedenza caratteristica.
4. 4. Emettitore laser secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo elemento attivo (100;140;160) Ã ̈ configurato per assorbire una radiazione elettromagnetica di pompa.
5. 5. Emettitore laser secondo la rivendicazione 4, in cui detta radiazione elettromagnetica di pompa, detta radiazione elettromagnetica intermedia e detta radiazione elettromagnetica di uscita hanno rispettivamente una lunghezza d’onda di pompa (λp), una lunghezza d’onda intermedia (λL1) ed una lunghezza d’onda di uscita (λL2); ed in cui detti primo e secondo riflettore ottico (94,96) hanno rispettivamente una prima ed una seconda riflettività alla lunghezza d’onda intermedia, detti primo e secondo riflettore ottico avendo inoltre una terza ed una quarta riflettività alla lunghezza d’onda d’uscita; ed in cui dette prima, seconda e terza riflettività sono superiori a detta quarta riflettività.
6. 6. Emettitore laser secondo la rivendicazione 5, in cui dette prima, seconda e terza riflettività sono almeno pari a 90%, detta quarta riflettività essendo inferiore a 20%.
7. 7. Emettitore laser secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un primo ed un secondo tratto di fibra ottica (114,116) tra loro connessi e definenti detto cammino ottico (98), detti primo e secondo riflettore ottico (124,126) essendo rispettivamente formati all’interno di detti primo e secondo tratto di fibra ottica; ed in cui detti primo e secondo tratto di fibra ottica hanno rispettivamente una prima ed una seconda porzione attiva (140,142), le quali sono rispettivamente drogate con un primo ed un secondo materiale e si estendono tra detti primo e secondo riflettore ottico, in maniera tale da definire rispettivamente detti primo e secondo elemento attivo (100,102).
8. 8. Emettitore laser secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 6, comprendente inoltre un primo tratto di fibra ottica (114), il quale definisce detto cammino ottico (98); ed in cui detti primo e secondo riflettore ottico (124,126) sono formati all’interno di detto primo tratto di fibra ottica; ed in cui detto primo tratto di fibra ottica ha una zona attiva (160), la quale à ̈ drogata con un primo ed un secondo materiale e si estende tra detti primo e secondo riflettore ottico, detta zona attiva definendo detti primo e secondo elemento attivo (100,102).
9. 9. Emettitore laser secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detto primo e secondo materiale sono, rispettivamente, itterbio e tulio.
10. 10. Emettitore laser secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, in cui detti primo e secondo riflettore ottico sono rispettivamente formati da una prima ed una seconda struttura periodica (124,126).