PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO ÓPTICO PARA LA PRODUCCIÓN DE UNA SEÑAL ÓPTICA NO LINEAL EN UN MATERIAL EXCITADO POR UN CAMPO DE EXCITACIÓN, Y UTILIZACIÓN DE DICHO PROCEDIMIENTO Y DEL DISPOSITIVO ÓPTICO.

Procedimiento para generar una señal óptica no lineal (17) en un material (16) excitado por un campo de excitación (2),

en el que unos campos coherentes con el campo de excitación (2) de primeros y segundos impulsos ópticos de diferente frecuencia se solapan en el tiempo y localmente en el material (16), generándose los primeros impulsos de una primera frecuencia en un primer haz (3) de un primer generador óptico (1) y generándose los segundos impulsos de una segunda frecuencia en un segundo haz (8) de un segundo generador óptico (7) bombeado de forma sincrónica por el primer generador óptico (1), generándose con los primeros impulsos de la primera frecuencia como frecuencia fundamental impulsos de una frecuencia armónica de ésta más alta (SHG), y siendo bombeado el segundo generador óptico con los impulsos (5) de la frecuencia armónica más alta, caracterizado porque el segundo generador óptico (7), como generador paramétrico óptico, genera impulsos de una frecuencia de reposo en un haz de reposo para proporcionar los segundos impulsos de la segunda frecuencia en el segundo haz (8), siendo la segunda frecuencia más baja que la primera frecuencia, y el segundo generador óptico (7) genera impulsos de una frecuencia de señal en un haz de señal (9), siendo la segunda frecuencia más baja que la frecuencia de señal, y solapándose la señal óptica no lineal (17) en interferencia heterodina con el haz de señal (9) para la detección

Procedimiento y dispositivo óptico para la producción de una señal óptica no lineal en un material excitado por un campo de excitación, y utilización de dicho procedimiento y del dispositivo óptico.

La invención se refiere a un procedimiento para generar una señal óptica no lineal según la reivindicación 1. La invención se refiere también a una utilización del procedimiento y del sistema óptico.

La utilización de un procedimiento CARS anteriormente mencionado y/o un sistema óptico CARS se ha establecido principalmente en el campo de la investigación de estructuras vibrónicas internas de moléculas, pudiendo generarse por ejemplo una señal óptica no lineal en forma de una señal CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy Signal - señal de espectroscopia Raman anti-stokes coherente) en un material. Por ejemplo, en el artículo de F. Ganikhanov et al., en Optic Letters, vol. 31 (12), págs 1872-1874 (2006), se describe una estructura CARS de alta sensibilidad que funciona con dos láseres y un OPO de frecuencia duplicada de resonador interno. Esta estructura posibilita una identificación de una molécula sin marcadores. Por ejemplo, las especies marcadas por espectroscopia de fluorescencia se revelan como posible alternativa, pero no orientada a la aplicación, en particular en el campo de la biología o la alimentación, debido a un efecto de marcado que frecuentemente es demasiado bajo y en caso dado a un efecto tóxico de los marcadores. Por consiguiente, el procedimiento mencionado en la introducción y el dispositivo constituyen una posibilidad ampliable y viable en este campo si se logra reducir la complejidad y al mismo tiempo aumentar la sensibilidad de los sistemas existentes. La sobreelevación resonante inherente al proceso CARS hace que éste sea más sensible que los métodos de espectroscopia Raman y, en comparación con la espectroscopia infrarroja, en el presente caso la utilización de longitudes de onda más cortas posibilita una mayor resolución espacial en el campo de la microscopía. Esta es una de las razones por las que la utilización de un procedimiento mencionado en la introducción y el dispositivo mencionado en la introducción han adquirido una importancia nada despreciable en el marco de la espectroscopia CARS y la microscopía. La implementación de los mismos en un marco mayor, orientado a la aplicación o industrial está limitada hasta la fecha a causa de la complejidad, todavía relativamente alta, de los sistemas necesarios para ello y del rendimiento relativamente bajo de la señal óptica no lineal que se genera mediante una interacción en gran medida no lineal disponible en el material. Esta problemática se plantea sobre todo en caso de materiales que incluyen la sustancia a analizar en una concentración relativamente baja.

En la publicación de E. O. Potma et. al. en Opt. Lett. 31 Nº 2, páginas 241 a 243, 14 de enero de 2006 "Heterodyne coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) imaging" y en la publicación de E. R. Andresen en Opt. Expr. Vol. 14(16), páginas 7246-7251 (2006) "Picosecond anti-Stokes generation in a photonic-crystal fiber for interferometric CARS microscopy", se propone fundamentalmente perfeccionar un sistema multihaz mencionado en la introducción para un procedimiento o una estructura para generar la señal óptica no lineal, mediante el uso de un oscilador paramétrico óptico y un esquema de detección heterodino. Para ello, E. O. Potma et. al. prevén utilizar para un sistema CARS un impulso de un haz de señal de frecuencia duplicada en el resonador del oscilador paramétrico óptico (OPO) como campo de excitación de alta frecuencia, y un impulso láser generado por un láser de bombeo para el OPO como campo de excitación de baja frecuencia (como haz stokes en la terminología CARS). Para realizar un esquema de detección heterodino, en la estructura CARS se pone a disposición de forma definida una estructura CARS adicional en el marco de un interferómetro de Mach-Zehnder, siendo uno de los brazos del interferómetro una célula de sulfóxido de dimetilo deuterizado (d-DMSO) para generar una señal fuerte no resonante con una, en la terminología CARS, frecuencia anti-stokes, que sirve como un, así llamado, "oscilador local" en el marco del esquema de detección heterodino. Una estructura de este tipo es relativamente compleja y costosa de manejar, aunque el esquema de detección heterodino propuesto es adecuado en principio para aumentar la sensibilidad del procedimiento mencionado en la introducción y del dispositivo mencionado en la introducción.

En la publicación de E. R. Andresen et al., de nuevo una salida de señales de un OPO bombeado de forma sincrónica con una frecuencia láser sirve como impulso de bombeo de alta frecuencia para el campo de excitación para generar una señal CARS, mientras que un impulso láser en la frecuencia láser sirve como impulso stokes de baja frecuencia para formar el campo de excitación. Los impulsos de bombeo y stokes se conducen a una fibra óptica cristalina fotónica (photonic-crystal fiber - PCF) para la obtención de un campo de oscilador local en el impulso anti-stokes en el marco de un esquema de detección heterodino para CARS. Las propiedades de dispersión y tiempo de propagación que ello implica, correspondientes al impulso anti-stokes, generan problemas adicionales que hacen que el procedimiento y la estructura descritos en dicha publicación sean susceptibles de mejora.

En la publicación "CARS imaging with a new 532 nm synchroneously pumped picosecond OPO" de Büttner et. al, publicada en Proc. of SPIE Conf. Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences VII (21-23 de enero de 2007), editada por A. Periasamy entre otros, SPIE, 2007 Vol. 6442, páginas 64420C-1 a 64420C-8, se describe fundamentalmente una estructura CARS óptica ventajosa con un OPO que se bombea con un láser Nd:VAN de frecuencia duplicada y con acoplamiento de modos. En este caso, un haz de señal del OPO se utiliza junto con una parte de las fundamentales del láser de bombeo como haz de bombeo y stokes en el marco de un campo de excitación CARS.

Sería deseable una propuesta relativamente propuesta y compacta para mejorar un procedimiento mencionado en la introducción y un sistema óptico mencionado en la introducción, debiendo existir además una posibilidad ventajosa de una detección heterodina para la señal óptica no lineal.

En este punto es aplicable la invención, cuyo objetivo consiste en indicar un procedimiento y un sistema óptico del tipo indicado en la introducción que presente una construcción relativamente sencilla y/o compacta y no obstante sea relativamente potente para generar la señal óptica no lineal, en particular relativamente sensible para la detección de la señal óptica no lineal.

En lo que respecta al procedimiento, la invención resuelve el objetivo mediante un procedimiento del tipo mencionado en la introducción, en el que está previsto según la invención que el segundo de generador óptico, como generador paramétrico óptico, genere impulsos de una frecuencia de reposo en un haz de reposo para proporcionar los segundos impulsos de la segunda frecuencia en el segundo haz, siendo la segunda frecuencia más baja que la primera frecuencia y generando el segundo generador óptico impulsos de una frecuencia de señal en un haz de señal, siendo la segunda frecuencia más baja que la frecuencia de señal.

La invención parte de la consideración de que, en una delimitación del estado actual de la técnica, es posible lograr una excitación especialmente potente de un material en el marco de un campo de excitación formado mediante un primer impulso, por ejemplo un impulso de bombeo de frecuencia más alta generado por un láser de bombeo, y un segundo impulso, por ejemplo un impulso de reposo de frecuencia más baja generado por un oscilador paramétrico óptico. Dicho de otro modo, la frecuencia fundamental, preferentemente del láser, sirve como frecuencia de bombeo (primer impulso) en el marco de una terminología CARS, mientras que la frecuencia de reposo, preferentemente del OPO, sirve como frecuencia stokes (segundo impulso). La invención ha descubierto que este tipo de generación de un campo de excitación con el segundo impulso es posible si, de acuerdo con el concepto de la invención, el generador paramétrico óptico se bombea a la frecuencia armónica superior formada por multiplicación de la frecuencia fundamental.

Además, la invención ha descubierto que la combinación de la primera frecuencia fundamental y la segunda frecuencia ...

1. Procedimiento para generar una señal óptica no lineal (17) en un material (16) excitado por un campo de excitación (2), en el que unos campos coherentes con el campo de excitación (2) de primeros y segundos impulsos ópticos de diferente frecuencia se solapan en el tiempo y localmente en el material (16), generándose los primeros impulsos de una primera frecuencia en un primer haz (3) de un primer generador óptico (1) y

generándose los segundos impulsos de una segunda frecuencia en un segundo haz (8) de un segundo generador óptico (7) bombeado de forma sincrónica por el primer generador óptico (1), generándose con los primeros impulsos de la primera frecuencia como frecuencia fundamental impulsos de una frecuencia armónica de ésta más alta (SHG), y siendo bombeado el segundo generador óptico con los impulsos (5) de la frecuencia armónica más alta,

caracterizado porque

el segundo generador óptico (7), como generador paramétrico óptico, genera impulsos de una frecuencia de reposo en un haz de reposo para proporcionar los segundos impulsos de la segunda frecuencia en el segundo haz (8), siendo la segunda frecuencia más baja que la primera frecuencia, y

el segundo generador óptico (7) genera impulsos de una frecuencia de señal en un haz de señal (9), siendo la segunda frecuencia más baja que la frecuencia de señal, y solapándose la señal óptica no lineal (17) en interferencia heterodina con el haz de señal (9) para la detección.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la suma de la frecuencia de reposo y la frecuencia de señal de la frecuencia armónica más alta corresponde en particular a la frecuencia de una segunda armónica.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la señal óptica no lineal (17), en particular en forma de una señal CARS, se forma con una frecuencia correspondiente al doble de la primera frecuencia menos la frecuencia de reposo.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3,

caracterizado porque una posición de fase óptica está definida entre un impulso del haz de señal (9) y la señal óptica no lineal (17), en particular una posición de fase óptica está indefinida entre un impulso del primer haz (3) y un impulso del segundo haz (8).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4,

caracterizado porque una frecuencia de la señal óptica no lineal (17) se modifica con respecto a la frecuencia de señal del haz de señal (9), y la señal óptica no lineal (17) se detecta a través de una señal (4) que interfiere en función del tiempo.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5,

caracterizado porque una frecuencia y/o fase de la señal óptica no lineal (17) se modifica con respecto a la frecuencia y/o fase de señal modificando la primera frecuencia y/o fase, en particular a través de un medio modulador de frecuencia y/o modulador de fase, por ejemplo un modulador acústico-óptico (AOM).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 6,

caracterizado porque el primer haz (3) y el segundo haz (8) se solapan de forma colineal y/o el haz de señal (9) o una parte del mismo se solapa de forma colineal con la señal óptica no lineal (17), en particular en un detector (19), y/o el haz de señal (9) o una parte del mismo se solapa de forma colineal con el primer haz (3) y el segundo haz (8), en particular en el material (16).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7,

caracterizado porque se elige una intensidad del haz de señal (9) tan baja que el haz de señal (9) no influye en la potencia de la señal óptica no lineal (17).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7,

caracterizado porque se elige una intensidad del haz de señal (9) tan alta que la potencia de la señal óptica no lineal (17) aumenta con la intensidad del haz de señal (9).

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9,

caracterizado porque los campos del primer haz (3) y el segundo haz (8) están copolarizados o no copolarizados, por ejemplo con polarización cruzada, o se eligen de tal modo que el campo de excitación (2) esté polarizado de forma circular o elíptica.

11. Sistema óptico (10) para generar una señal óptica no lineal en un material (16) excitado por un campo de excitación (2), en el que primeros y segundos campos coherentes con el campo de excitación (2) de impulsos ópticos de diferente frecuencia se solapan en el tiempo y localmente en el material (16), en particular mediante un procedimiento según la reivindicación 1, que presenta:

- un primer generador óptico (1) para generar los primeros impulsos de una primera frecuencia en un primer haz (3);

- un medio (18) para generar impulsos (5) de una frecuencia armónica más alta con los primeros impulsos de la primera frecuencia como frecuencia fundamental;

- un segundo generador óptico (7), que puede ser bombeado por el primer generador óptico (1) de forma sincrónica con los impulsos (5) de la frecuencia armónica más alta, en forma de un generador paramétrico óptico para generar impulsos de una frecuencia de reposo en un haz de reposo como segundos impulsos en el segundo haz (8) en una segunda frecuencia, y para generar impulsos de una frecuencia de señal en un haz de señal (9), siendo la segunda frecuencia más baja que la primera frecuencia y más baja que la frecuencia de señal;

- medios de guía de haz (11) para solapar en el tiempo y localmente un primer impulso del primer haz y un segundo impulso del haz de reposo;

- otros medios de guía de haz (12) diseñados para detectar la señal óptica no lineal mediante solapamiento de interferencia heterodino con el haz de señal (9).

12. Sistema óptico según la reivindicación 11, caracterizado por un medio (14) para modificar la frecuencia de la señal óptica no lineal con respecto a la frecuencia de señal del haz de señal, y un detector (19) y otros medios de guía de haz (12) para el solapamiento de interferencia heterodino de la señal óptica no lineal (17) con el haz de señal (9) en el detector (PD, APD, PMT).

13. Sistema óptico según la reivindicación 11 o 12, caracterizado porque el primer generador óptico (1) está configurado en forma de un láser, en particular un láser Nd:YAG o un láser Ti:zafiro, diseñado en particular para generar impulsos de picosegundos y/o impulsos de femtosegundos.

14. Sistema óptico según una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque el segundo generador óptico (7) está configurado en forma de un oscilador paramétrico óptico, en particular un KTP-OPO o LBO-OPO, o el segundo generador óptico (7) está configurado en forma de un generador paramétrico óptico o un amplificador paramétrico óptico, diseñado en particular para generar impulsos de pico-segundos y/o impulsos de femtosegundos.

15. Sistema óptico según una de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado porque el medio (18) está configurado para generar impulsos de una frecuencia armónica más alta en forma de un doblador de frecuencia, en particular con uno o más cristales no lineales.

16. Sistema óptico según una de las reivindicaciones 11 a 15, caracterizado porque el medio para generar una frecuencia armónica más alta está dispuesto entre el primer generador óptico (1) y el segundo generador óptico (7), y/o el medio para generar una frecuencia armónica más alta está configurado en un resonador del primer generador óptico.

17. Sistema óptico según una de las reivindicaciones 11 a 16, caracterizado porque un medio (14) para modificar la frecuencia y/o la fase de la señal óptica no lineal con respecto a la frecuencia y/o la fase del haz de señal está dispuesto como un medio para modificar la fase y/o la frecuencia fundamental en el primer haz (3), y/o la fase y/o la frecuencia de reposo en el haz de reposo (8), y/o la fase y/o la frecuencia de señal en el haz de señal (9), y está configurado en particular en forma de un modulador acústico-óptico (AOM).

18. Utilización de un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 10 y/o un sistema óptico (19) según una de las reivindicaciones 11 a 17 para la microscopía y/o la espectroscopia, en particular la microscopía CARS y/o la espectroscopia CARS.