Aparato duplexor óptico para la transmisión y recepción simultánea de haces láser,

empleado para simplificar los problemas de alineamiento entre transceptores ópticos distantes, comprendiendo:

- un tubo reflector catadióptrico (5);

- un prisma polarizador (13), encargado de:

- dividir el haz láser transmitido (2SP) en dos haces (2P, 2S) polarizados linealmente en planos perpendiculares, dirigiendo únicamente la componente reflejada (2S) al reflector catadióptrico (5);

- dividir el haz láser recibido (2'SP), procedente del reflector catadióptrico (5), en dos haces (2'P, 2'S) polarizados linealmente en planos perpendiculares, dirigiendo únicamente la componente refractada (2'P) con destino al receptor (52);

- una lente divergente (14) situada entre el prisma polarizador (13) y el reflector catadióptrico (5) y encargada de:

- recibir la componente reflejada (2S) del haz láser transmitido (2SP) procedente del prisma polarizador (13) y adaptarla al plano focal del reflector catadióptrico (5);

- recibir y colimar el haz láser recibido (2'SP) procedente del reflector catadióptrico (5) y dirigirlo al prisma polarizador (13).

Aparato duplexor óptico para la transmisión y recepción simultánea de haces láser.

Campo de la invención

La invención presentada se enmarca dentro de la industria óptica y mecánica de precisión (instrumentación), orientada a la emisión y recepción eficiente de haces luminosos.

Antecedentes de la invención

Los sistemas ópticos formados por lentes, espejos y otros elementos característicos para la manipulación de la luz tales como los partidores de haz, polarizadores, prismas, filtros, etc. se han venido utilizando de forma habitual en el campo de la óptica para el desarrollo de sistemas que permiten alterar la posición, dirección, fase, distribución energética y estado de polarización de la luz.

Los sistemas ópticos de transmisión y recepción de haces modulados basados en láser vienen empleando elementos ópticos diferenciados para transmitir y recibir la información. Sin embargo, utilizando algunos de los elementos antes mencionados y las propiedades de la luz, es posible simplificar esta filosofía y usar parte de los mismos elementos para ambas funciones tomando, si bien caminos ópticos distintos, el mismo eje óptico. Esta solución simplifica a la vez el problema del alineamiento entre transceptores distantes al eliminar elementos de ajuste.

La luz considerada como onda electromagnética se caracteriza por cuatro propiedades básicas: frecuencia o longitud de onda, amplitud, fase y estado de polarización. El estado de polarización se corresponde con las especificaciones de la onda transversa que la caracteriza. De acuerdo con la teoría electromagnética, las dos componentes perpendiculares del vector campo eléctrico y sus contribuciones pueden dar lugar a luz polarizada lineal, circular o elíptica. Cuando la luz polarizada es lineal, su energía se concentra y propaga en un plano que sigue espacialmente la dirección de propagación.

El multiplexado o multicanalización de señales es bien conocido en el ámbito de la teoría de la señal. Así, dos o más señales pueden transmitirse por un único canal de comunicación si se hace en tiempos, en frecuencias o fases distintas. Considerando la luz como un canal de comunicación y como onda electromagnética en sentido estricto, podemos considerar también su estado de polarización como una propiedad que nos permite multicanalizar señales electromagnéticas o luminosas si sus energías se encuentran en distintos planos de polarización. En este caso, se trata de establecer una diferenciación de señales por su distribución espacial de energía.

Definimos duplexor óptico como aquel sistema óptico que permite un acoplamiento bidireccional entre dos haces luminosos que portan información modulada. Los haces luminosos transmitido y recibido no se interfieren porque difieren en alguna propiedad que caracteriza a la luz que procesa: espacio, tiempo, frecuencia, fase o estado de polarización.

En esta invención se presenta un sistema duplexor óptico que se caracteriza por procesar dos haces láser polarizados linealmente en dos planos perpendiculares que se propagan de forma bidireccional sobre un único eje óptico.

Por otro lado, la luz generada por un láser de estado sólido tiene, en general, una naturaleza polarizada. Dependiendo del tipo de geometría y modo de funcionamiento del láser, la luz polarizada emitida puede tener distintas manifestaciones. Por ejemplo, los láseres de estado sólido del tipo Fabry-Perot monomodos suelen emitir luz polarizada linealmente en un solo plano; contrariamente, los láseres de cavidad vertical (VCSEL) tipo multimodo, emiten luz polarizada radial (distintos planos de polarización lineal, en función del orden del modo y distribuidos radialmente perpendiculares a la dirección de propagación). Para garantizar que un haz láser posea un tipo concreto de polarización, es necesario procesar la luz que produce por un polarizador.

Los polarizadores son elementos ópticos que, partiendo de una luz no polarizada, producen luz polarizada lineal o circular. Están basados, bien en propiedades de birrefringencia que poseen algunos cristales tales como el cuarzo, las propiedades de algunas superficies gruesas o finas (capas superficiales) que reflejan y refractan las componentes ortogonales del vector campo con disposiciones de tramas metálicas en materiales que absorben una componente y transmiten la otra (polarizadores de absorción). En la presente invención se utiliza un cubo polarizador que posee la propiedad de descomponer una luz con polarización arbitraria, en dos componentes perpendiculares S (reflejada) y P (refractada) linealmente polarizadas. Energéticamente hablando, la irradiancia o la energía del haz incidente, salvo un factor de pérdidas, se reparte entre las dos componentes S y P.

La luz polarizada linealmente, al incidir sobre determinadas sustancias puede desviar el ángulo de su plano de polarización. Este fenómeno de dispersión se debe a la interacción de los fotones con la estructura molecular de las superficies (sólidos), o de las moléculas individuales (gases). La longitud de onda del fotón impactante es un parámetro determinante en el proceso.

En la presente invención importa la evolución del ángulo del plano de polarización de un haz láser cuando éste atraviesa el aire. El aire atmosférico está formado por una mezcla de gases y de partículas en suspensión que pueden interaccionar con un haz láser polarizado generando fenómenos de dispersión y desplazamientos en su plano de polarización. Para ello, en el sistema duplexor óptico presentado, se incluyen divisores de haz y sensores que permiten analizar la desviación del plano de polarización con el fin de determinar la influencia de las componentes de la atmósfera sobre el propio haz.

También es conocido que los haces láser se caracterizan por tener una gran directividad, coherencia e irradiancia. Dependiendo del modo de vibración del láser, en términos generales, la irradiancia sigue una distribución estadística tipo "Gauss-Hermite" (Distribución cuasi gaussiana) en láseres monomodo y tipo "Gauss-Laguerre" (Distribución anular en pétalos) en láseres multimodo.

La coherencia del haz nos delimita su capacidad dispersiva. Así, el ángulo de divergencia θ en radianes de un haz láser depende de su apertura D y de su longitud de onda λ según la expresión:

Este ángulo define un tronco cono dentro del cual el haz diverge. Igualmente, la apertura del sistema óptico que procesa el láser viene condicionada por la existencia de difracción. Si las aperturas son circulares, en el campo lejano se producen los denominados anillos de Airy que dispersan la energía en forma de nodos y vientres de acuerdo con una función tipo sinc (senx/x). Se trata de la difracción de campo lejano o de Fraunhofer que empieza a producirse a distancias que dependen del diámetro de la apertura D y de la longitud de onda λ empleada. Así, el cero del primer anillo de altura h ocurre aproximadamente a una distancia d de:

Con sistemas ópticos de aperturas de varios centímetros y longitudes de onda en el rango del infrarrojo, la difracción de Fraunhofer ocurre a distancias mayores de 10 km.

Desde el punto de vista de la energía luminosa procesada por un sistema óptico, su diseño debe tener en cuenta la distribución concreta de la energía de la luz que procesa y el balance de pérdidas energéticas que se producen en todo el sistema óptico. La eficiencia energética del sistema óptico se medirá comparando la energía empleada frente a la procesada, tanto la transmitida como la recibida.

La invención que se presenta hace uso de un reflector catadióptrico caracterizado por su pequeño tamaño y bajo coste pero con gran distancia focal necesaria para tener un campo de visión pequeño sin perturbaciones de otros fenómenos ópticos del entorno. Los reflectores catadióptricos hacen uso de lentes y espejos combinados permitiendo que la luz que procesan incida sobre aperturas con forma de corona circular. Poseen una zona de sombra central debido a la disposición de su espejo secundario. Así, si queremos usar un reflector catadióptrico para transmitir y recibir energía luminosa de forma eficiente mediante láser, la distribución energética...

1. Aparato duplexor óptico para la transmisión y recepción simultánea de haces láser, caracterizado por que comprende:

- un tubo reflector catadióptrico (5) para la recepción del haz láser recibido (2') y la transmisión del haz láser transmitido (2); y

- un sistema óptico que comprende: