DISPOSITIVO DE AMPLIFICACION QUE COMPRENDE UN MEDIO AMPLIFICADOR LASER DE FORMA PARALELEPIPEDICA Y MEDIOS DE BOMBEO QUE COMPRENDEN LAMPARAS.

Dispositivo de amplificación que comprende un medio (2) amplificador de forma paralelepipédica,

medios de refrigeración del medio amplificador y lámparas que comprenden la circulación de un fluido (20) de refrigeración y medios de bombeo que comprenden lámparas (5) que emiten en un intervalo de frecuencia una primera radiación útil para la amplificación y una segunda radiación susceptible de degradar el medio amplificador, caracterizado porque se integran lámparas en una camisa (3) que absorbe al menos una parte de la segunda radiación y que comprende aberturas de secciones diferentes destinadas a la circulación de un fluido (20) de refrigeración

Dispositivo de amplificación que comprende un medio amplificador láser de forma paralelepipédica y medios de bombeo que comprenden lámparas.

El campo de la invención es el de los dispositivos de amplificación láser mediante un medio amplificador de forma paralelepipédica y se aplica concretamente a láseres de nanosegundos, picosegundos o incluso femtosegundos bombeados mediante lámparas.

En el campo de los dispositivos de amplificación láser con medio sólido, existían hasta hace poco dos grandes tipos de materiales amplificadores:

- por una parte, los materiales monocristalinos, por ejemplo el granate de itrio y aluminio, también denominado YAG, el zafiro o el rubí. Estos materiales se dopan generalmente con iones de tierras raras o incluso con titanio o cromo.

- por otra parte, las matrices amorfas, tales como el vidrio de fosfato, por ejemplo, o el vidrio de silicato. Estas matrices se dopan principalmente con iones de tierras raras.

De manera general, los dispositivos de amplificación con un medio amplificador monocristalino, de tipo matriz de YAG por ejemplo, permiten obtener tasas de repetición elevadas pero con energías por haz moderadas. Esta limitación de energía se debe a la sección limitada de los medios amplificadores monocristalinos, limitación fijada por la cristalogénesis. Por ejemplo, la dificultad de hacer crecer el YAG monocristalino dopado con neodimio, denominado Nd:YAG, sobre grandes secciones y la limitación de su umbral de daño permiten, en el mejor de los casos, obtener energías del orden de 4 a 5 julios para una sección de 2 cm², en régimen pulsado con una duración de pulsos láser de algunos nanosegundos.

Por otro lado, los dispositivos de amplificación que comprenden un medio amplificador de tipo vidrio permiten alcanzar energías elevadas, de una decena de julios a varios kilojulios por haz, pero con cadencias respectivas que van del hercio a menos de un disparo láser por hora. Se permiten las grandes energías gracias a las grandes secciones posibles de un medio amplificador de este tipo. No hay ninguna limitación de la sección para las matrices de vidrio al contrario que para los monocristales. En cambio, las matrices de vidrio, debido a sus malas propiedades termomecánicas, impiden el aumento de cadencia de los láseres y obligan, a veces, a poner en práctica concretamente medios complejos de compensación de la distorsión del frente de onda.

Con respecto a las principales técnicas de bombeo óptico de los medios amplificadores sólidos, existe el bombeo mediante lámpara continua o mediante lámpara de destellos, por una parte, y el bombeo mediante diodo láser continuo o pulsado, por otra parte. Las características principales de cada una de estas técnicas de bombeo óptico son las siguientes:

• Las lámparas continuas emiten un espectro de múltiples líneas que se superpone con un espectro continuo bastante débil.

• Las lámparas de destellos emiten un espectro constituido esencialmente por un espectro continuo con el que se superponen líneas espectrales de baja intensidad. La posición espectral de las líneas de emisión depende del/de los gas(es) usado(s) en la lámpara.

• Los diodos láser emiten según una única línea espectral que depende del semiconductor usado.

Cuando se bombea un material láser mediante una de esas técnicas, se convierte en amplificador para una o varias longitudes de onda características.

Cada una de estas dos técnicas de bombeo presenta ventajas e inconvenientes, siendo los principales los siguientes:

• Cuando se bombea un material láser mediante lámpara, sólo una pequeña parte del espectro de emisión de la lámpara es útil para el bombeo, disipándose de manera térmica parcialmente la otra parte en el medio láser. Esta carga técnica, se si vuelve demasiado elevada, puede inducir distorsiones del frente de onda y/o de la birrefringencia limitando las posibles aplicaciones del láser.

• La vida útil de las lámparas continuas y de las lámparas de destellos con frecuencia es mucho más débil que, respectivamente, la de los diodos continuos y los diodos pulsados. Esto se traduce en una frecuencia más elevada de las operaciones de mantenimiento de los láseres bombeados mediante lámpara.

• A igual rendimiento, el precio de los amplificadores bombeados mediante lámparas es mucho menor que el de los amplificadores bombeados mediante diodos.

• Para un cierto número de materiales láser, existen diodos de bomba que emiten según una longitud de onda que coincide con una de las líneas de absorción. Debido a ello la carga térmica depositada en el medio amplificador se reduce y se reducen los efectos nefastos inducidos (distorsión del frente de onda, birrefringencia inducida...). Así, con un bombeo continuo puede obtenerse una potencia media mayor a la salida del láser si se bombea mediante diodo más que mediante lámparas. Y con un bombeo pulsado, se obtienen las mismas energías a la salida del láser independientemente del tipo de bomba (lámpara de destellos o diodo) aunque pueden alcanzarse tasas de repetición más elevadas con el bombeo por diodo.

• El coste de los diodos es mucho mayor que el de las lámparas y debido a ello el coste de mantenimiento en condiciones de funcionamiento puede ser superior al de un láser bombeado mediante lámparas.

Por tanto, concretamente en el campo de los láseres pulsados, actualmente pueden fabricarse:

• amplificadores láser sólidos que suministran fuertes energías, del tipo de los materiales láser a base de vidrio, pero con tasas de repeticiones muy bajas debido a efectos térmicos si se bombean mediante lámparas de destellos.

• amplificadores láser sólidos que suministran fuertes energías, del tipo de los materiales láser a base de vidrio, pero con tasas de repeticiones bajas debido a efectos térmicos y a costes muy elevados si se bombean mediante diodos.

• amplificadores láser sólidos bombeados mediante lámparas de destellos que funcionan con tasas de repeticiones intermedias, del orden de 10 a 100 Hz, gracias al uso de ciertos materiales láseres monocristalinos que tienen buenas propiedades termomecánicas pero que suministran energías limitadas a algunos julios debido a la sección limitada de los cristales que pueden realizarse mediante cristalogénesis.

• amplificadores láser sólidos bombeados mediante diodos, costosos, que funcionan con tasas de repeticiones elevadas, a más de 50 Hz, gracias al uso de ciertos materiales láseres monocristalinos que tienen buenas propiedades termomecánicas pero que suministran energías limitadas a algunos julios debido a la sección limitada de los cristales que pueden realizarse mediante cristalogénesis.

La aparición de nuevos materiales láser que combinan las ventajas de las matrices de vidrio, que tienen grandes secciones disponibles que permiten obtener fuertes energías, y las de los mejores materiales monocristalinos, que tienen buenas propiedades termomecánicas, abre nuevas perspectivas. Estos nuevos materiales láser son estructuras sólidas policristalinas también denominadas cerámicas láser.

Ahora pueden realizarse dispositivos amplificadores láser que suministran al mismo tiempo fuertes energías a tasas de repetición intermedias, en el caso de un bombeo mediante lámpara de destellos, o elevadas, en el caso de un bombeo mediante diodos. La elección de la técnica de bombeo se ve guiada principalmente por consideraciones de coste de adquisición y de coste de mantenimiento. Para bombear volúmenes de medios amplificadores, que pueden alcanzar más de 200 cm³ en comparación con aproximadamente 20 cm³ anteriormente, el coste de adquisición de un dispositivo de amplificación bombeado mediante diodos puede ser elevado. El bombeo mediante lámparas resulta entonces una alternativa interesante para los industriales.

Por ejemplo, la cerámica YAG dopada con iones de tierras raras Nd³⁺, debido a su estructura policristalina que permite realizar medios amplificadores de grandes dimensiones, cuya sección supera los 20 cm² con un monocristal de Nd:YAG, puede emplearse para realizar dispositivos de amplificación de fuertes energías. Estas energías obtenidas son del orden de varias decenas de julios, superando así los de 4 a 5 julios habitualmente obtenidos. Las cadencias obtenidas superan ampliamente los 10 Hz.

No obstante, existen ciertos problemas para bombear las cerámicas...

1. Dispositivo de amplificación que comprende un medio (2) amplificador de forma paralelepipédica, medios de refrigeración del medio amplificador y lámparas que comprenden la circulación de un fluido (20) de refrigeración y medios de bombeo que comprenden lámparas (5) que emiten en un intervalo de frecuencia una primera radiación útil para la amplificación y una segunda radiación susceptible de degradar el medio amplificador, caracterizado porque se integran lámparas en una camisa (3) que absorbe al menos una parte de la segunda radiación y que comprende aberturas de secciones diferentes destinadas a la circulación de un fluido (20) de refrigeración.

2. Dispositivo según la reivindicación anterior, caracterizado porque las lámparas son lámparas de destellos.

3. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio amplificador es a base de cerámica láser.

4. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el medio amplificador es una cerámica de YAG dopada con iones Nd³⁺.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque el medio amplificador es una cerámica de YAG dopada conjuntamente con iones Cr³⁺.

6. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el dispositivo es simétrico según el plano (Oyz) formado por el medio (2) amplificador.

7. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos dos caras opuestas del medio (2) amplificador están inclinadas entre sí un ángulo de algunos grados mediante rotación alrededor del eje Oy, en este caso el medio amplificador tiene una forma casi paralelepipédica.

8. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la camisa está compuesta por un material a base de cuarzo o de vidrio dopado con iones de samario.

9. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las lámparas emiten una segunda radiación en la región UV.

10. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la camisa absorbe los fotones cuyo espectro coincide con la línea de emisión láser del medio amplificador.

11. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se coloca un filtro (4) UV entre la camisa (3) y el medio (2) amplificador.

12. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un difusor (1) óptico recubre la camisa que tiene la función de uniformizar el bombeo del medio amplificador.

13. Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado porque el medio difusor es un polvo de MgO comprimido en un depósito o una cerámica no dopada.