LASER.

Un dispositivo láser en el que una serie de líneas de retardo óptico (11,

12, 13, 14, 15, 16, 17; 41, 42, 43, 44, 45, 4 6, 47; 51, 52, 53, 54, 55, 61, 62, 63, 64, 65; 71) están dispuestas para transmitir impulsos desde un láser de bombeo (10; 30; 70) hasta una serie de posiciones separadas dispuestas a lo largo de un medio activo sólido (R; R2) en la dirección de propagación del láser en el medio activo, estando dispuesta cada linea de retardo óptico para bombear una porción diferente del medio activo para causar una inversión de población localizada, caracterizado porque los retardos de transmisión de impulsos proporcionados por las líneas de retardo óptico se seleccionan para emitir una secuencia de impulsos a las porciones del medio activo de manera que cada porción contribuirá a su vez a la amplificación de un láser que se propaga dentro del medio activo, en el que el tiempo de vida del estado superior del medio activo es inferior al tiempo de paso del medio activo por la luz

Láser.

Esta invención se refiere a láseres y, más particularmente, a un dispositivo láser que tiene bombeo mejorado de su medio activo, y también a un procedimiento de mejora del bombeo de un medio activo de láser.

Existe una gama muy amplia de medios activos de láser, por ejemplo, cristales dopados con iones de tierras raras, vidrios dopados con iones láser-activos, semiconductores, soluciones líquidas de ciertos tintes, y gases. Esta invención no se refiere a medios activos líquidos o gaseosos, sino que se refiere a medios activos sólidos que incluyen cristales, vidrios y semiconductores que, se denominan en lo sucesivo, individual y conjuntamente, un "medio activo".

Un medio activo es un material que tiene átomos o moléculas que pueden ser excitados hasta un nivel de acción láser superior para generar una inversión de población que amplificará la luz mediante emisión estimulada a una tasa que es proporcional al número de átomos que hay en el nivel de acción láser superior y la densidad de radiación de la luz.

Los átomos o moléculas de un medio activo son excitados al nivel de acción láser superior mediante un procedimiento, conocido en la técnica como "bombeo", que introduce energía dentro del medio activo de una manera que promoverá la interacción láser. El bombeo se consigue típicamente con fuentes de bombeo suficientemente energéticas que puedan actuar sobre todo el medio láser simultáneamente, ya sea inundando toda la cavidad de láser con radiación óptica o por algún otro medio. Esto tiene la desventaja de ser relativamente ineficiente, porque grandes cantidades de energía de bombeo pueden desperdiciarse como calor. La técnica también requiere que los medios activos tengan tiempos de vida relativamente prolongados para el estado de transición del láser superior, de manera que el medio activo pueda mantener la inversión de población necesaria durante el intervalo entre la absorción de algo de energía de bombeo y la aparición de emisión estimulada de fotones.

Comúnmente se usa una gama de fuentes de bombeo ópticas para proporcionar energía a un sistema láser, siendo ejemplos las descargas eléctricas, las lámparas de destello, las lámparas de arco, la luz procedente de otro láser, reacciones químicas y dispositivos explosivos. Tales fuentes de bombeo óptico típicamente dirigen la luz hacia una varilla de medio activo como una onda continua o como una serie de impulsos, siendo la frecuencia de la luz de bombeo mayor que la de la luz láser resultante (es decir, siendo la longitud de onda de bombeo más corta que la de la luz láser resultante), porque la energía requerida para bombear al nivel de acción láser superior es esencialmente mayor que la energía liberada durante la transición láser. Esta invención se refiere al bombeo óptico que usa una fuente de bombeo láser.

Existen cientos de materiales diferentes que pueden usarse como medios activos para producir láseres que tienen una amplia gama de frecuencias con grados variables de eficiencia. Tales materiales tienen típicamente tres o cuatro niveles de energía, aunque algunos tienen muchos más niveles de energía con complejos procedimientos de excitación y relajación que se producen entre estos niveles. Sin embargo, la amplificación óptica tiene lugar a una frecuencia característica calculada como la diferencia de energía entre el estado excitado y un estado fundamenta dividida por la constante de Planck.

Normalmente se selecciona un material para uso como medio activo porque tiene un tiempo de vida relativamente prolongado para su estado de transición superior y es capaz de producir una frecuencia requerida. Tales materiales tienen una transición rápida sin radiación desde el nivel de bombeo hasta el nivel de acción láser superior, seguido de una transición mucho más lenta desde el nivel de acción láser superior hasta el siguiente nivel de energía para conseguir la inversión de población necesaria. Esta transición sin radiación libera energía residual como calor.

El documento US6.038.240 desvela un dispositivo láser según el preámbulo de la reivindicación 1.

Según un aspecto de la invención, un dispositivo láser tiene una serie de líneas de retardo óptico dispuestas para transmitir impulsos desde un láser de bombeo hasta una serie de posiciones separadas dispuestas a lo largo de un medio activo sólido en la dirección de propagación del láser en el medio activo, estando dispuesta cada linea de retardo óptico para bombear una porción diferente del medio activo para causar una inversión de población localizada, caracterizado porque los retardos de transmisión de impulsos proporcionados por las líneas de retardo óptico se seleccionan para emitir una secuencia de impulsos a las porciones del medio activo de manera que cada porción contribuirá a su vez a la amplificación de un láser que se propaga dentro del medio activo, en el que el tiempo de vida del estado superior del medio activo es inferior al tiempo de paso del medio activo por la luz. De esta manera, el láser puede ser bombeado de una manera más eficiente ya que la energía de bombeo puede ser emitida exactamente donde se requiere y en los instantes en los que se requiere durante el paso de los fotones láser a lo largo de la longitud del medio activo. La consecuencia es que puede usarse fuentes de bombeo de energía mucho más baja, así como el uso de nuevos tipos de láser con materiales para el medio activo que previamente se consideró que tenían un tiempo de vida del estado de transición del láser superior que era demasiado corto. Tales materiales de ganancia del láser tendrían típicamente un tiempo de vida del estado de transición del láser superior de un nanosegundo o menos.

Las líneas de retardo óptico pueden estar dispuestas para transmitir impulsos desde el láser de bombeo de la manera enseñada en nuestra patente de GB 2384126, proporcionando así muchos impulsos de radiación electromagnética a puntos secuenciales a lo largo de la longitud del medio activo con la sincronización de los impulsos escogida para coincidir con la propagación de los fotones láser. La duración del impulso de bombeo es típicamente del orden del tiempo de vida del estado superior del medio activo y siendo introducido cada impulso de bombeo dentro del medio activo justo delante de los fotones progresivos, de manera que son dirigidos continuamente dentro de una zona de inversión de población sin agotar y por consiguiente sufren una interacción láser que experimenta ganancia eficientemente.

Los retardos de transmisión de impulsos pueden seleccionarse para hacer que cada impulso sea aplicado a esa porción del medio activo que está inmediatamente delante del impulso láser. Alternativamente, la sincronización de la secuencia de impulsos puede seleccionarse para causar inversión de población en cada porción del medio activo antes de que la porción inmediatamente precedente se haya descargado completamente al estado fundamental del medio.

Las posiciones separadas pueden estar espaciadas a intervalos regulares a lo largo del medio activo o pueden estar espaciadas no uniformemente a lo largo del medio activo.

Cada linea de retardo óptico está definida preferentemente por una fibra óptica.

Preferentemente, el retardo de impulsos entre posiciones adyacentes es sustancialmente equivalente a la separación de las posiciones adyacentes dividida por la velocidad de la luz en el medio activo.

Preferentemente, el láser de bombeo está dispuesto para transmitir los impulsos de luz láser a las líneas de retardo óptico a través de un nodo de distribución.

El láser de bombeo es preferentemente un generador de impulsos múltiples como el desvelado en nuestra patente de GB 2384126.

El dispositivo láser puede tener una ganancia tal alta a lo largo de la longitud del medio activo que es super-radiante, y por lo tanto es utilizable para generar un impulso láser a partir de una única secuencia de impulsos procedente del láser de bombeo. Alternativamente, el medio activo puede estar ubicado en una cavidad resonante provista de espejos terminales por medio de los cuales el impulso láser se reflejará entre los espejos terminales para realizar múltiples pasadas a través del medio activo. En este caso, un mecanismo de vaciado de cavidad puede estar ubicado en la cavidad y está dispuesto un disparador para accionar el mecanismo de vaciado de cavidad para liberar el impulso láser de la cavidad. Debido al corto tiempo de vida del estado superior del medio activo, en el momento en que un impulso láser...

1. Un dispositivo láser en el que una serie de líneas de retardo óptico (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17; 41, 42, 43, 44, 45, 4 6, 47; 51, 52, 53, 54, 55, 61, 62, 63, 64, 65; 71) están dispuestas para transmitir impulsos desde un láser de bombeo (10; 30; 70) hasta una serie de posiciones separadas dispuestas a lo largo de un medio activo sólido (R; R2) en la dirección de propagación del láser en el medio activo, estando dispuesta cada linea de retardo óptico para bombear una porción diferente del medio activo para causar una inversión de población localizada, caracterizado porque los retardos de transmisión de impulsos proporcionados por las líneas de retardo óptico se seleccionan para emitir una secuencia de impulsos a las porciones del medio activo de manera que cada porción contribuirá a su vez a la amplificación de un láser que se propaga dentro del medio activo, en el que el tiempo de vida del estado superior del medio activo es inferior al tiempo de paso del medio activo por la luz.

2. Un dispositivo láser según la reivindicación 1, en el que la duración del impulso de bombeo es del orden del tiempo de vida del estado superior del medio activo (R; R2).

3. Un dispositivo láser, según las reivindicaciones 1 ó 2, en el que los retardos de transmisión de impulsos se seleccionan para hacer que cada impulso sea aplicado a aquella porción del medio activo (R; R2) que está inmediatamente delante del impulso láser.

4. Un dispositivo láser, según la reivindicación 1, en el que la sincronización de la secuencia de impulsos se selecciona para causar inversión de población en cada porción del medio activo (R; R2) antes de que la porción inmediatamente precedente se haya descargado completamente al estado fundamental del medio.

5. Un dispositivo láser, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las posiciones separadas están espaciadas no uniformemente a lo largo del medio activo (R; R2).

6. Un dispositivo láser, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el retardo de impulsos entre posiciones adyacentes es sustancialmente equivalente a la separación de las posiciones adyacentes dividida por la velocidad de la luz en el medio activo (R; R2).

7. Un dispositivo láser, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, el láser de bombeo (10; 30) está dispuesto para transmitir los impulsos de luz láser a las líneas de retardo óptico a través de un nodo de distribución (18; 38).

8. Un dispositivo láser, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el láser de bombeo es un generador de impulsos múltiples.

9. Un dispositivo láser, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que tiene una ganancia tan alta a lo largo de la longitud del medio activo (R; R2) que es super-radiante, y de este modo es utilizable para generar un impulso láser a partir de una única secuencia de impulsos procedente del láser de bombeo (10; 30; 70).

10. Un dispositivo láser, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el medio activo (R; R2) está ubicado en una cavidad resonante provista de espejos terminales (19, 20) por medio de los cuales el impulso láser se reflejará entre los espejos terminales para realizar múltiples pasadas a través del medio activo.

11. Un dispositivo láser, según la reivindicación 10, en el que un mecanismo de vaciado de cavidad está ubicado en la cavidad y está dispuesto un disparador para accionar el mecanismo de vaciado de cavidad para liberar el impulso láser de la cavidad.

12. Un dispositivo láser, según la reivindicación 10 u 11, en el que está dispuesta una linea de retardo óptico adicional para activar el láser de bombeo en un momento apropiado durante la secuencia por medio de lo cual el láser de bombeo transmitirá un impulso de luz láser adicional a las líneas de retardo óptico.

13. Un dispositivo láser, según las reivindicaciones 10 a 12, en el que las líneas de retardo óptico son divididas en un primer grupo (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17) que está dispuesto para emitir impulsos de luz láser para promover la amplificación del impulso láser en una dirección, y un segundo grupo (41, 42, 43, 44, 45, 46, 47) que está dispuesto para emitir impulsos de luz láser para promover la propagación del impulso láser en la dirección opuesta.

14. Un dispositivo láser, según la reivindicación 13, en el que cada a grupo de líneas de retardo óptico se le suministra luz láser procedente de al menos una fuente diferente (10; 30).

15. Un dispositivo láser, según la reivindicación 13, en el que a ambos grupos de líneas de retardo óptico se les suministra luz láser procedente de una única fuente (10; 30), y una linea de retardo óptico adicional está colocada entre el primer y segundo grupos de líneas de retardo para proporcionar el tiempo de retardo necesario entre los dos grupos de líneas de retardo óptico.

16. Un dispositivo láser, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la serie de líneas de retardo óptico se divide en al menos una serie adicional de manera que cada linea de retardo óptico de la serie adicional emitirá su impulso a una posición que está desplazada lateralmente de las posiciones asociadas con la otra serie de líneas de retardo óptico.

17. Un dispositivo láser, según la reivindicación 16, en el que el medio activo (R; R2) es de sección transversal poligonal y series separadas de las líneas de retardo óptico están colocadas para transmitir sus impulsos a series de posiciones separadas a lo largo de caras respectivas del medio activo.

18. Un dispositivo láser, según la reivindicación 16, en el que el medio activo (R; R2) es de sección transversal cilíndrica y series separadas de las líneas de retardo óptico están colocadas para transmitir sus impulsos a series espaciadas circunferencialmente de posiciones separadas que se extienden a lo largo del medio activo.

19. Un dispositivo láser, según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el medio activo está definido por al menos dos tipos de medios activos (R; R2) dispuestos extremo a extremo.

20. Un dispositivo láser, según la reivindicación 19, en el que cada tipo de medio activo (R2; R) está dispuesto para recibir impulsos de luz láser procedentes de series respectivas de líneas de retardo óptico (71; 11, 12, 13, 14, 15).

21. Un procedimiento de bombeo de un medio activo de láser (R; R2) que comprende dirigir impulsos de luz láser secuencialmente a una serie de posiciones separadas dispuestas longitudinalmente a lo largo del medio activo en la dirección de propagación del láser, usando cada impulso para bombear una porción diferente del medio activo para causar una inversión de población localizada, y sincronizando la secuencia de impulsos para bombear el medio activo, en el que el tiempo de vida del estado superior del medio activo es inferior al tiempo de paso del medio activo por la luz.

22. Un procedimiento, según la reivindicación 21, que además comprende dirigir los impulsos secuencialmente a series adicionales de posiciones que están desplazadas lateralmente de las otras series de posiciones.

23. Un procedimiento, según la reivindicación 21 ó 22, que además comprende derivar los impulsos dirigiendo una única fuente (10; 30) de luz láser a través de líneas de retardo óptico (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17; 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47; 51, 52, 53, 54, 55, 61, 62, 63, 64, 65; 71) de diferentes retardos dispuestas en paralelo.

24. Un procedimiento, según la reivindicación 23, que además comprende usar una linea de retardo óptico adicional para accionar un mecanismo de vaciado de cavidad.

25. Un procedimiento, según la reivindicación 23 ó 24, que además comprende usar otra linea de retardo óptico para activar la fuente en un momento apropiado durante la secuencia.