Método operativo de un oscilador láser pulsado de modo longitudinal simple de frecuencia estabilizada,

oscilador láser que comprende una cavidad (1) resonante incluyendo un material (6) activo situado en un eje óptico entre al menos dos espejos (3, 4), comprendiendo dicho método: la iluminación de dicho material (6) activo con un rayo láser continuo viene del sistema (20) fuera de la cavidad (1) resonante para realizar la operación del oscilador láser de modo longitudinal simple, la energización de dicho material (6) activo para estimularlo a emitir una radiación de láser pulsado formado por una sucesión de pulsos láser de salida (Out) dirigidos hacia uno (4) de dichos espejos (3, 4) y saliendo de la cavidad (1) resonante a través del citado espejo (4), comprendiendo dicho método los siguientes pasos: modulación de la longitud de la cavidad (1) resonante en una fase de búsqueda del pico de transmisión de dicho rayo láser continuo por dicha cavidad (1) resonante en un periodo de tiempo (T) entre la generación de un pulso de dicha sucesión de pulsos y la del pulso siguiente, comprendiendo dicha fase de búsqueda la detección de dicho rayo láser continuo transmitido por la cavidad (1) resonante a través del otro (3) de dichos espejos (3, 4) de la cavidad, la medición de una señal que corresponde al rayo láser continuo detectado, la memorización de dicha medida y la transmisión de una señal de mando al transductor (5) piezocerámico para el movimiento de por lo menos el citado espejo (4), procesamiento de las mediciones y selección de la posición de por lo menos el citado espejo (4) que corresponde al pico de transmisión detectado de la cavidad (1) resonante durante la fase de búsqueda, teniendo lugar dicho procesamiento antes de una fase de posicionamiento, una fase de posicionamiento de por lo menos el citado espejo (4) para el control de la longitud de la cavidad (1) resonante en respuesta a la información que se deriva de dicha fase de búsqueda, dicha fase de posicionamiento que comprende el movimiento de por lo menos el citado espejo (4) variar la longitud de la cavidad (1) resonante asumir la posición seleccionada correspondiente para detectar el pico de transmisión de la cavidad (1) resonante, caracterizado porque sólo las medidas obtenidas en dicha fase de búsqueda por el movimiento del transductor (5) piezocerámico en la misma dirección que el movimiento utilizado en la fase de posicionamiento se utilizan para dicha selección de la posición de por lo menos el citado espejo (4) que corresponde al pico de transmisión detectado de la cavidad (1) resonante

La presente invención se refiere a un oscilador láser pulsado que opera de modo transversal simple (STM) y un método operativo innovador para hacer esta función del oscilador de modo longitudinal simple (SLM) con una transmisión de frecuencia particularmente estable a lo largo del tiempo (1MHZ rms).

Los osciladores láser actualmente conocidos son los que utilizan una barra en estado sólido como material activo (láser de estado sólido).

En estos osciladores láser la geometría del resonador es de gran importancia ya que es responsable de las características de salida del haz y de la eficiencia del oscilador láser. Las características geométricas y espectrales del rayo láser alcanzan los límites teóricos de los haces de Gauss si el oscilador láser oscila de modo longitudinal simple y de modo transversal simple.

En general, una cavidad resonante incluye un material activo que se encuentra entre dos espejos que forman la cavidad. La oscilación de pocos modos transversales y longitudinales se fuerza mediante la colocación de una abertura en el resonador que actúa como un filtro espacial; este filtro rechaza los modos de orden superior (que tienen un diámetro amplio) y deja pasar los modos de orden inferior, es decir, aquellos que tienen una sección transversal pequeña en relación con el material activo. El material activo consta de una barra en estado sólido, por ejemplo de sección circular, asociada al sistema de bombeo.

La oscilación de un modo longitudinal simple puede obtenerse mediante la utilización de un filtro óptico de paso de banda adecuado.

Otra técnica para obtener la oscilación de una cavidad de modo longitudinal simple consiste en inyectar dentro de la misma cavidad un rayo láser continuo procedente de una fuente de baja potencia. Esta fuente de láser continuo se llama láser de inyección; proporciona la referencia de frecuencia al sistema láser completo y la estabilidad de frecuencia del sistema completo se mide con relación a ella. La cavidad de pulsos se sintoniza con la frecuencia del láser de inyección moviendo uno de los espejos de la cavidad, por ejemplo mediante un transductor piezocerámico (comúnmente llamado piezocerámico).

De este modo la longitud de la cavidad puede realizarse exactamente como múltiplo entero de la longitud de onda del láser de inyección y puede obtenerse la emisión de pulsos láser de modo longitudinal simple.

Los usos de un oscilador láser de este tipo son considerables, en particular para mediciones espaciales remotas vinculadas tanto a la variación de la frecuencia emitida (como la que se produce en la medición de la velocidad del viento) como a la variación de la intensidad del láser transmitida (medida de la concentración de especies moleculares presentes en la atmósfera que realizan una absorción selectiva de la radiación láser sobre la base de su frecuencia).

En un oscilador láser pulsado del tipo descrito tiene que disponerse de un aparato de control para estabilizar la frecuencia del láser pulsado. Un aparato de control de este tipo se encuentra en la patente US 4918704 y prevé la utilización de un espejo de acoplamiento de la salida que tiene un perfil de reflexión parcial que es similar a la función matemática de Gauss.

La patente US 4410992 describe un oscilador láser pulsado de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

A la vista del estado de la técnica descrita, el objetivo de la presente invención es producir un oscilador láser pulsado de modo longitudinal simple de frecuencia estable que opera de acuerdo con un método diferente de los conocidos hasta ahora.

Otro objetivo es producir un método operativo innovador para un oscilador láser pulsado de modo longitudinal simple.

De acuerdo con la presente invención, este objetivo se consigue mediante un método tal como se define en la reivindicación 1.

Las características y ventajas de la presente invención se harán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada de una realización de la misma, ilustrada como ejemplo no limitativo en los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una representación esquemática de un oscilador láser pulsado de acuerdo con una realización de la invención; La figura 2 es una representación esquemática de un dispositivo de control electrónico que forma parte del oscilador láser de la figura 1; La figura 3 es una representación esquemática de una realización de un dispositivo adicional incluido en el oscilador láser de la figura 1;

La figura 4 es una representación esquemática de una variante del dispositivo de la figura 3;

La figura 5 es una representación esquemática de otra variante del dispositivo de la figura 3.

Con referencia a la figura 1 se muestra un oscilador láser pulsado de acuerdo con una realización de la invención, que incluye una cavidad 1 resonante. La cavidad resonante consta de un primer espejo 3 fijo, un segundo espejo 4 móvil mediante un transductor piezocerámico o “piezocerámico” 5, un material 6 activo situado en un eje óptico entre los dos espejos y constituido por ejemplo por una barra de Nd:YAG, y un obturador 7 óptico, por ejemplo una célula Pockels, situada a lo largo del citado eje óptico entre el material 6 activo y el segundo espejo 4. El material 6 activo está asociado a un aparato 8 de bombeo diodo, alimentado por un alimentador 10 adecuado, que se adapta para energizar el material 6 activo con el fin de excitarle para emitir radiación láser; el obturador 7 óptico se activa a su vez mediante un dispositivo 11 de accionamiento.

Una fuente 20 láser continua de baja potencia, también llamada láser de inyección o láser de onda continua (CW), fuera de la cavidad 1, inyecta un rayo láser continuo de frecuencia simple mediante el espejo 4 dentro de la cavidad

1. Como el espejo 4 para la entrada del láser continuo también se utiliza para la salida del rayo (Out) láser pulsado de la cavidad 1, se utiliza un aislador 21 Faraday para separar el rayo láser continuo en la cavidad 1 del rayo láser pulsado en la salida de la misma cavidad 1. Los dos espejos 3 y 4, el material 6 activo y el obturador 7 óptico están alineados entre sí y la distancia entre los dos espejos 3 y 4 constituye la longitud de la cavidad 1. En el caso en que la cavidad sea en forma de anillo, el espejo de entrada de la inyección y el espejo de salida de la radiación de pulsos láser coinciden y la inyección y las bandas de pulsos de salida están separadas formando un ángulo. Los dos sentidos de circulación del haz de inyección y del haz de pulsos coinciden (tanto en el sentido de las agujas del reloj,

o bien en el sentido contrario a las agujas del reloj).

El dispositivo 11 de accionamiento mantiene el obturador 7 óptico cerrado durante la fase de bombeo del material 6 activo, por lo general alrededor de 150-200s, y vuelve a abrirlo de inmediato después de producir el crecimiento de la radiación pulsada, produciendo de este modo el llamado Q-switch.

La inyección del rayo láser continuo que viene de la fuente 20 continua dentro de la cavidad 1 también después de la fase de bombeo; dicha radiación se detecta mediante un fotodiodo 30 situado fuera de la cavidad 1 a lo largo del eje óptico de la misma y cerca del espejo 3; la señal procedente del fotodiodo 30 se mide entonces mediante un dispositivo 50 de control electrónico, que a través de un amplificador 51 controla adecuadamente el piezocerámico 5 para variar la longitud de la cavidad 1 resonante. El fotodiodo 30, el dispositivo 50 de control electrónico, el amplificador 51 y el piezocerámico 5 constituyen el sistema 2 de control de la longitud de la cavidad resonante.

La cavidad 1 resonante se utiliza como un interferómetro de Fabry Perot (FP) y la transmisión del rayo láser inyectado en la propia cavidad 1 en el periodo de tiempo T entre dos pulsos de láser sucesivos se monitoriza continuamente. La acción de control de la cavidad 1 se obtiene mediante la modulación de la longitud de la misma cavidad gracias a la señal de mando enviada por el dispositivo 50 al piezocerámico 5 acoplado al espejo 4 y observando la respuesta del fotodiodo 30 a la señal enviada; con mayor precisión la longitud de la cavidad 1 se modula para permitir la identificación, con la precisión requerida, de la posición del pico de la transmisión del interferómetro detectado con el fotodiodo 30.

Por lo tanto... [Seguir leyendo]

1. Método operativo de un oscilador láser pulsado de modo longitudinal simple de frecuencia estabilizada, oscilador láser que comprende una cavidad (1) resonante incluyendo un material (6) activo situado en un eje óptico entre al menos dos espejos (3, 4), comprendiendo dicho método:

la iluminación de dicho material (6) activo con un rayo láser continuo viene del sistema (20) fuera de la cavidad (1) resonante para realizar la operación del oscilador láser de modo longitudinal simple, la energización de dicho material (6) activo para estimularlo a emitir una radiación de láser pulsado formado por una sucesión de pulsos láser de salida (Out) dirigidos hacia uno (4) de dichos espejos (3, 4) y saliendo de la cavidad (1) resonante a través del citado espejo (4), comprendiendo dicho método los siguientes pasos:

modulación de la longitud de la cavidad (1) resonante en una fase de búsqueda del pico de transmisión de dicho rayo láser continuo por dicha cavidad (1) resonante en un periodo de tiempo (T) entre la generación de un pulso de dicha sucesión de pulsos y la del pulso siguiente, comprendiendo dicha fase de búsqueda la detección de dicho rayo láser continuo transmitido por la cavidad (1) resonante a través del otro (3) de dichos espejos (3, 4) de la cavidad, la medición de una señal que corresponde al rayo láser continuo detectado, la memorización de dicha medida y la transmisión de una señal de mando al transductor (5) piezocerámico para el movimiento de por lo menos el citado espejo (4), procesamiento de las mediciones y selección de la posición de por lo menos el citado espejo (4) que corresponde al pico de transmisión detectado de la cavidad (1) resonante durante la fase de búsqueda, teniendo lugar dicho procesamiento antes de una fase de posicionamiento, una fase de posicionamiento de por lo menos el citado espejo (4) para el control de la longitud de la cavidad (1) resonante en respuesta a la información que se deriva de dicha fase de búsqueda, dicha fase de posicionamiento que comprende el movimiento de por lo menos el citado espejo (4) variar la longitud de la cavidad (1) resonante asumir la posición seleccionada correspondiente para detectar el pico de transmisión de la cavidad (1) resonante,

caracterizado porque

sólo las medidas obtenidas en dicha fase de búsqueda por el movimiento del transductor (5) piezocerámico en la misma dirección que el movimiento utilizado en la fase de posicionamiento se utilizan para dicha selección de la posición de por lo menos el citado espejo (4) que corresponde al pico de transmisión detectado de la cavidad (1) resonante.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende la verificación de la operación de modo longitudinal simple y la evaluación del movimiento en la frecuencia de la radiación de láser pulsado y la corrección de la posición de dicho espejo (4) en respuesta a los resultados obtenidos.

3. Método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende la detección de una pulsación entre modos adyacentes de la radiación (Out) láser pulsado en la salida de la citada cavidad (1) resonante, la medición de la amplitud de dicha pulsación, y el control del citado piezocerámico (5) para producir movimientos (D) de por lo menos uno de los citados espejos (4) con el fin de cubrir un campo determinado del espectro (2 FSR), la corrección de la posición del citado espejo (4) que incluye la selección del movimiento óptimo (D) que corresponde a la amplitud mínima de la pulsación o a la posición central entre dos picos de pulsación y el control de dicho piezocerámico (5) para llevar a cabo el citado movimiento óptimo.

4. Método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende la detección de una pulsación entre una parte de la radiación láser pulsado (Out) en la salida de la citada cavidad (1) resonante y una parte modulada en la frecuencia de dicha radiación de láser continua y la medida de la frecuencia de dicha pulsación, la corrección de la posición de dicho espejo (4) que comprende la determinación del movimiento (D) óptimo del citado espejo (4) sobre la base de la diferencia entre las citadas medidas de frecuencia y la frecuencia de la radiación continua y el control del citado piezocerámico (5) para llevar a cabo dicho movimiento óptimo.

5. Método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende la detección de las franjas de interferencia de una parte de la radiación pulsada (Out) en la salida de la cavidad (1) resonante, que se hace pasar a través de un Etalón, el análisis de dichas interferencias, la verificación de que la señal analizada es una señal multimodo, la detección de una pulsación entre modos adyacentes de dicha señal multimodo, la medición de la amplitud de dicha señal, y el control del citado piezocerámico (5) para producir movimientos (D) de dicho espejo (4) con el fin de cubrir un determinado campo espectral (FSR), la corrección de la posición de dicho espejo (4) que comprende la selección del movimiento (D) óptimo que corresponde a la mínima amplitud de la pulsación y el control de dicho piezocerámico (5) para llevar a cabo dicho movimiento óptimo.