Aparato y método para la obtención de pulsos cortos de luz láser mediante bloqueo pasivo de modos por saturación de ganancia cruzada entre polarizaciones ortogonales.

Describe un nuevo sistema capaz de producir pulsos cortos de luz láser mediante bloqueo pasivo de modos sin necesidad de utilizar sistemas que introduzcan pérdidas saturables en el dispositivo. La frecuencia de repetición es fácilmente sintonizable y permite, además, el bloqueo a un armónico de la frecuencia fundamental

Aparato y método para la obtención de pulsos cortos de luz láser mediante bloqueo pasivo de modos por saturación de ganancia cruzada entre polarizaciones ortogonales.

Campo de la invención

La presente invención describe un nuevo sistema capaz de producir pulsos cortos de luz láser mediante bloqueo pasivo de modos sin necesidad de utilizar sistemas que introduzcan pérdidas saturables en el dispositivo. La frecuencia de repetición es fácilmente sintonizable y permite, además, el bloqueo a un armónico de la frecuencia fundamental.

Antecedentes de la invención

En el campo de la tecnología láser, la obtención de pulsos láser cortos e intensos constituye en la actualidad uno de los retos más interesantes debido a la gran cantidad de aplicaciones que posee en ámbitos tan variados como la espectroscopia, procesado de materiales, así como en telecomunicaciones (cf. E. A. Avrutin y col. IEE Proc.-Optoelectron, vol. 147, pp. 251, 2000).

En general, la emisión de un dispositivo láser puede ser mono-modal o multi-modal dependiendo de las características de la cavidad óptica y el acoplamiento no lineal de la luz dentro del medio activo.

En condiciones especiales es posible la emisión de pulsos cortos e intensos mediante técnicas de bloqueo de modos. Este fenómeno es un caso particular de emisión multi-modal caracterizada por tener una relación de fase fija entre los modos longitudinales de la cavidad láser. Este mecanismo da lugar a la generación de pulsos de luz láser cortos e intensos caracterizados por que su frecuencia de repetición está directamente relacionada con el tiempo de ida y vuelta de la luz en la cavidad resonante, y que la anchura temporal de los pulsos está relacionada con el número de modos bloqueados. La capacidad para producir pulsos más cortos queda limitado por la anchura espectral de la curva de ganancia del láser y por la irregularidad en el espaciado entre modos.

En la actualidad existen dos métodos de generar bloqueo de modos; el bloqueo de modos activo y el bloqueo de modos pasivo.

El bloqueo de modos activo consiste en la modulación externa de uno de los parámetros del láser. Para ello se emplea una modulación externa cuya frecuencia, en adelante fm, puede ser la fundamental, un armónico o un sub-armónico de ?v, fm=?v, n?v, ?v/n siendo n un número entero. Esta modulación fija la fase de los modos adyacentes dando lugar a un estado con bloqueo de modos (cf. H. A. Haus y col., IEEE J. Selected Topics Quantum Electron, vol. 6, pp. 1173, 2000).

Entre las técnicas empleadas para conseguir el bloqueo de modos activo se encuentra:

Uno de los mayores inconvenientes del bloqueo de modos activo es que necesita una modulación externa precisa. Con los métodos electrónicos actuales es difícil alcanzar frecuencias de repetición a multi-GHz, lo que ha provocado que las técnicas ópticas activas hayan recibido una especial atención. En estos sistemas, un láser externo inyecta pulsos ópticos que se propagan dentro del medio activo del láser provocando el bloqueo de modos (cf.Y. J. Wen y col. IEEE J. Quantum Electrón, vol. 37, pp. 1183, 2001).

La supresión de ganancia causada por la inyección del pulso produce una modulación de la ganancia, tal y como lo hace la modulación de la corriente, pero permitiendo frecuencias de repetición más rápidas (cf. G. R. Lin y col. Opt. Express, vol. 13, pp. 1008, 2005). No obstante, y aún teniendo en cuenta las ventajas de esta técnica, la necesidad de una fuente externa para generar pulsos complica y encarece el sistema.

Por este motivo el bloqueo pasivo es ampliamente utilizado para obtener pulsos ópticos cortos de frecuencia de repetición elevada y con niveles de ruido bajos. El bloqueo de modos pasivo se obtiene mediante la combinación de dos elementos, un amplificador láser el cual aporta ganancia y un absorbente saturable, que actúa como un obturador (cf.H. A. Haus, IEEE J. Quantum Electron, vol. 11, pp. 736, 1975). El absorbente saturable es un elemento no lineal que induce auto modulación de la luz a frecuencia más rápida que la que sería posible por cualquier tipo de modulación activa. El modo en el que el absorbente saturable favorece la generación de pulsos puede ser entendido en términos de un principio de mínima ganancia. El absorbente saturable induce bloqueo pasivo de modo ya que los pulsos pueden saturar más fácilmente el absorbente, por lo que la emisión continua es discriminada por sus mayores pérdidas ópticas. Así se puede forzar a que la anchura del pulso inicial sea estrechada en sucesivos viajes de la luz láser dentro de la cavidad resonante. De esta forma la anchura final del pulso de luz láser emitido es un balance entre el acortamiento impuesto por el absorbente, y el ensanchamiento debido a la dispersión.

Para obtener bloqueo pasivo de modos estable es necesario abrir alrededor del pulso una ventana estrecha de ganancia neta que impida que el sistema se auto inicie en el intervalo de tiempo comprendido entre dos pulsos consecutivos y que las pérdidas no saturadas superen la ganancia. Además el bloqueo pasivo de modos con absorbentes saturables lentos requieren dos condiciones adicionales:

Por todo esto la construcción de absorbentes saturables con tiempos de recuperación mas rápidos que unos pocos pico-segundos encuentra serias dificultades tecnológicas, lo que ha motivado el desarrollo de los denominados absorbentes saturables artificiales. Este tipo de sistemas está caracterizado por pérdidas ópticas que pueden responder de forma ultrarrápida o instantánea a cambios de la intensidad. Entre las técnicas que emplean estos sistemas cabe destacar: bloqueo de modos por adición de pulsos; rotación no lineal de la polarización, en adelante NLPR; y bloqueo de modos mediante lente por efecto Kerr (cf. E. P. Ippen, Appl. Phys. B, vol. 58, pp.159, 1994).

En el campo de los láseres de semiconductor, la polarización de la luz ha sido recientemente utilizada para el bloqueo de modos mediante NLPR (cf. X. Yang y col Opt. Express, vol. 12, pp. 2248, 2004), así como para la generación de ondas milimétricas (cf. S. Pajarola y col., IEEE Trans. Microwave Theory and Techn, vol. 47, pp.1234, 1999).

Entre los láseres semiconductores, los dispositivos de cavidad externa vertical de emisión superficial, en adelante VECSEL, son una alternativa interesante a los láseres de emisión lateral en aplicaciones de alta potencia, conversión de frecuencia y en aplicaciones de bloqueo de modos (cf. A. C. Tropper y col., J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 37, pp.75, 2004).

Inicialmente los VECSEL con bloqueo de modos activo usaban dispositivos bombeados ópticamente, en los que el bloqueo de modo se obtenía mediante bombeo sincronizado (cf. W. Jiang y col., Appl. Phys. Lett., vol. 60, pp. 677, 1992). Por otra parte el bloqueo pasivo era obtenido mediante espejos semiconductores absorbentes saturables (cf. U. Keller, y col., IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., vol. 2, pp. 435, 1996).

Estos sistemas generaban pulsos de pico-segundos con potencias de salida de hasta 200 mW (cf. S. Hoogland, y col., IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 12, pp. 1135, 2000). Estudios posteriores permitieron obtener pulsos inferiores a pico-segundos mediante técnicas de control de la dispersión.

La simetría circular de los láseres de cavidad vertical y emisión superficial, en adelante VCSEL, introduce una débil selectividad entre la emisión de la luz a lo largo de los dos ejes preferenciales, que son definidos por la débil anisotropía de la cavidad. Por esta razón los dispositivos basados en VCSEL ofrecen un excelente marco de trabajo para el uso de la polarización en aplicaciones tecnológicas. Aunque la polarización ha sido empleada para conmutación óptica, no ha sido aún utilizada para el bloqueo de modos (cf. A. C. Tropper y col., J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 37, pp. 75, 2004).

Por ello en esta...

1. Método para la generación de pulsos de luz láser mediante bloqueo pasivo de modos por fenómenos de saturación cruzada de ganancia entre haces con polarizaciones ortogonales, donde uno de estos haces es una copia de la luz láser polarizada generada por el dispositivo láser que ha sido previamente rotada, retardada e introducida en la cavidad resonante mediante un sistema de realimentación.

2. Aparato láser capaz de llevar a cabo el método según la reivindicación 1, que comprende:

3. Aparato láser según la reivindicación 2, donde el medio activo es un láser VCSEL.

4. Aparato láser según la reivindicación 2, donde el medio activo es un Amplificador Óptico VCSOA.

5. Aparato láser según cualquiera de las reivindicaciones 3 o 4, donde el divisor del haz no polarizante se encuentra incluido en el sistema resonante.

6. Aparato láser según cualquiera de las reivindicaciones 3, 4 y 5, donde al menos uno de los espejos de la cavidad resonante ha sido sustituido por una red de difracción.

7. Aparato láser capaz de llevar a cabo el método de la reivindicación 1, cuya estructura esta basada en al menos un anillo de fibra óptica que comprende:

8. Aparato láser según la reivindicación anterior en el que el medio activo es un amplificador óptico de semiconductor (SOA).