Dispositivo emisor de luz supercontinua de banda ancha y usos del mismo.

Dispositivo emisor de luz supercontinua de banda ancha y usos del mismo.

El dispositivo comprende:

- una fibra óptica no lineal (F);

- un sistema de bombeo;

- una cavidad y un medio activo, tal como una fibra activa (Fm), ubicado dentro de la cavidad, configurados y dispuestos para que, por un bombeo proporcionado por el sistema de bombeo, el medio activo genere y emita pulsos de luz láser caóticos hacia la fibra óptica no lineal (F) que exciten los efectos no lineales de la misma para la generación y emisión de luz supercontinua en forma de pulsos de luz distribuidos en el tiempo de forma aleatoria.

La invención también concierne a múltiples usos del dispositivo propuesto para aplicaciones que requieran de una fuente de luz con un espectro de banda ancha adecuado, bajo coste y gran brillo.

Dispositivo emisor de luz supercontinua de banda ancha v usos del mismo

Sector de la técnica

La presente invención concierne, en general, a un dispositivo emisor de luz supercontinua de banda ancha, que incluye una fibra óptica no lineal que genera y emite luz supercontinua al ser excitados sus efectos no lineales mediante pulsos de luz láser, y más en particular a un dispositivo donde dichos pulsos de luz láser son de naturaleza caótica y que emite luz supercontinua en forma de pulsos de luz distribuidos en el tiempo de forma aleatoria.

La invención también concierne a una serie de usos del dispositivo propuesto para múltiples aplicaciones.

Estado de la técnica anterior

En el estado de la técnica son conocidos diversos dispositivos emisores de luz supercontinua de banda ancha, algunos de los cuales se citan a continuación

Las fuentes de luz supercontinuas disponibles comercialmente se basan en láseres de picosegundos trabajando en régimen de sincronización en fase de los modos de la cavidad láser, normalmente llamado "mode lock, que excitan fibras de cristal fotónico no lineales. La tecnología de láseres mode-lock es cara y por ello las fuentes supercontinuas de potencia superior a 1 W tienen precios de 40.000 euros. Estas fuentes tienen dos propiedades importantes: por una parte, constituyen una alternativa a las lámparas halógenas para espectroscopia y, por otra parte, generan un peine de frecuencias coherente de aplicación en metrología y espectroscopia con resolución temporal.

Otras fuentes de luz supercontinuas utilizan como sistema de excitación un sistema láser de fibra trabajando en régimen de conmutación del factor Q de la cavidad, normalmente llamado Q-switch, el cual comprende un medio de ganancia de fibra dopada que está siendo continuamente bombeado por una fuente bomba, y proporciona unos pulsos láser de mayor energía y duración que los generados por los láseres mode lock.

Tanto los láseres tipo mode lock como los tipo Q-switch precisan de algún tipo de modulador de amplitud, fase o frecuencia, ya sea activo o pasivo.

El documento de patente CN102130413 describe una fuente láser supercontinua de tipo fibra óptica completa basada en una fibra óptica de Sílice dopada multi- componente. No se indica en dicho documento que la fibra utilizada sea no lineal. Los autores se basan en una fuente de bombeo láser semiconductor, una fibra óptica con

doble revestimiento dopado con Yb, en una configuración tipo "Q-switch, y una fibra óptica de Sílice dopada multicomponente, para obtener una fuente láser supercontinua con una forma estructural simple, una potencia de salida alta y un rango espectral ancho y plano.

La cavidad de la fuente láser propuesta en CN102130413 emplea dos redes de Bragg de alta reflectividad, por lo que la eficiencia de emisión de luz láser ha de ser por fuerza muy baja al requerir reflectores de alta reflectividad en ambos extremos de la cavidad.

En la solicitud internacional WO2011124867A1 se describe un dispositivo emisor de luz supercontinua capaz de emitir luz entre los rangos infranojo y ultravioleta, que comprende una fuente láser y una fibra óptica microestructurada no lineal dispuesta para recibir el haz láser emitido por la fuente láser y generar y emitir la luz supercontinua, incluyendo el dispositivo unos medios para variar la duración de los pulsos de luz supercontinua emitidos.

En general, los láseres de fibra óptica (salvo alguna rara excepción como es el caso de CN102130413) no proporcionan inicialmente suficiente potencia y precisan de una etapa amplificadora para poder generar luz supercontinua, lo que viene a duplicar el número de componentes respecto al caso de poder emplear solo el láser.

El documento Cr4+YAG chirped-pulse oscillator, de New J Phys. 2008 August 10. pii: 083022. Sorokin E et al. Instituí für Photonik, TU Wien, Gusshausstr. 27/387, A- 1040 Vienna, Austria, describe una operación de chirped-pulse de un láser mode- locked" pasivo Cr:YAG. Investigan diferentes regímenes de operación del láser en la vecindad de la dispersión cero. Muestran que para una configuración láser dada, la transición a la dispersión positiva permite un aumento de 5 veces en la energía del pulso de salida, aunque este aumento está limitado por la aparición de! multipulso o chaotic mode-locking. Los pulsos de salida tienen 1,4 ps de duración y se han reducido a 120 fs en una pieza de 3 m de fibra de sílice, lo que permite generación de supercontinuo en una fibra no lineal. La forma del espectro y la estabilidad del régimen chirped-pulse dependen fuertemente de la cantidad y la forma de la dispersión dentro de la cavidad.

Nota: "Chirped pulse amplificaron (CPA) es una técnica para amplificar un pulso de láser ultracorto hasta el nivel del petavatio con el pulso de láser que se extendió temporal y espectralmente antes de la amplificación.

El documento Chaos in the pulse spacing of passive Q-switched all-solid-state lasers", Marcelo Kovalsky y Alejandro Hnilo, OPTICS LETTERS i Vol. 35, No. 20 / October 15, 2010, describe la verificación experimental y teórica de que en un láser tipo

"Q-switch" de Cr-YAG bombeado con un diodo, las inestabilidades en la separación entre impulsos ("jitter") se rigen por el caos determinista de bajas dimensiones. La caracterización lograda en el estudio de la dinámica estudiada y sus principales parámetros abre una puerta a formas efectivas para reducir el jitter, que es de interés 5 práctico, a través de mecanismos de control de caos. A la inversa, la dificultad en la predicción de la separación entre impulsos hace que este sistema sea atractivo para comunicaciones encriptadas de alta potencia, en espacio libre, basadas en una modulación robusta tipo Frecuencia-Modulada de un láser caótico.

Puede afirmarse, por tanto, que un experto en la materia conoce, por dichos dos

documentos, los problemas de inestabilidad que supone el uso de régimen caótico en un láser "Q-switch o un láser caótico, puesto que éste no permite obtener una emisión de luz de una manera controlada.

Explicación de la invención

Aparece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que cubra las

lagunas halladas en el mismo, proporcionando un dispositivo emisor de luz supercontinua que sea eficiente pero más sencillo y económico que los conocidos, prescindiendo de gran parte de los componentes que incluyen los dispositivos de luz supercontinua del estado de la técnica.

Con tal fin, la presente invención concierne a un dispositivo emisor de luz

supercontinua de banda ancha, que comprende:

- una fibra óptica no lineal;

- un sistema de bombeo;

- una cavidad; y

- un medio activo, ubicado dentro de dicha cavidad, configurado y dispuesto

para, por un bombeo proporcionado por dicho sistema de bombeo generar y emitir pulsos de luz láser hacia dicha fibra óptica no lineal que exciten los efectos no lineales de la misma para la generación y emisión de dicha luz supercontinua por un extremo de salida de la fibra óptica no lineal.

A diferencia de los dispositivos emisores de luz supercontinua de banda ancha

conocidos, en el propuesto por la presente invención, la cavidad y el medio activo del mismo están configurados para que los pulsos de luz láser generados y emitidos por el medio activo sean pulsos de luz caóticos que exciten los efectos no lineales de la fibra óptica no lineal para que genere y emita luz supercontinua en forma de pulsos de luz

distribuidos en el tiempo de forma aleatoria.

Para un ejemplo de realización preferido, el dispositivo de la presente invención comprende como mínimo un elemento de baja reflectividad (<0,1) dispuesto en o próximo al extremo de salida de la fibra óptica no lineal, teniendo dicha baja reflectividad preferentemente un valor comprendido entre -10 dB y -70 dB, y de manera más preferida de entre -30 dB y -50 dB.

Para un ejemplo de realización el mencionado elemento de baja reflectividad es una terminación no colimadora de la fibra óptica no lineal cortada en ángulo, mientras que para un ejemplo de realización alternativo el elemento de baja reflectividad es una terminación colimadora parcialmente reflectante del extremo de salida de la fibra óptica no lineal, tal como una terminación fundida en forma de microesfera, una lente colimadora con capa antireflectante montada en el extremo de salida de la fibra óptica no lineal o un colimador externo conectado al extremo de salida, cortado en ángulo, de la fibra óptica no lineal.

Según un ejemplo de realización, la fibra óptica no lineal es una fibra microestructurada no lineal.

De manera muy preferida,... [Seguir leyendo]

1.- Dispositivo emisor de luz supercontinua de banda ancha, que comprende al

menos:

- una fibra óptica no linea! (F);

- un sistema de bombeo;

- una cavidad; y

- un medio activo, ubicado dentro de dicha cavidad, configurado y dispuesto para, por un bombeo proporcionado por dicho sistema de bombeo, generar y emitir pulsos de luz láser hacia dicha fibra óptica no lineal (F) que exciten los efectos no lineales de la misma para la generación y emisión de dicha luz supercontinua por un extremo de salida de la fibra óptica no lineal (F);

estando el dispositivo caracterizado porque dicha cavidad y dicho medio activo están configurados para que los pulsos de luz láser generados y emitidos por el medio activo sean pulsos de luz caóticos que exciten los efectos no lineales de la fibra óptica no linea! (F) para que genere y emita luz supercontinua en forma de pulsos de luz distribuidos en el tiempo de forma aleatoria.

2.- Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende al menos un elemento de baja reflectividad (R2) dispuesto en o próximo a dicho extremo de salida de la fibra óptica no lineal (F).

3.- Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado porque dicha baja reflectividad tiene un valor comprendido entre -10 dB y -70 dB.

4.- Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque dicha baja reflectividad tiene un valor comprendido entre -30 dB y -50 dB.

5.- Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque dicho elemento de baja reflectividad (R2) es una terminación no colimadora de la fibra óptica no lineal (F) cortada en ángulo.

6.- Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque dicho elemento de baja reflectividad (R2) es una terminación colimadora parcialmente reflectante de dicho extremo de salida de la fibra óptica no lineal (F).

1 - Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque dicha terminación colimadora es una terminación fundida en forma de microesfera, una lente colimadora con capa antireflectante montada en el extremo de salida de la fibra óptica no lineal (F) o un colimador externo conectado a! extremo de salida, cortado en ángulo, de la fibra óptica no lineal (F).

8.- Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha fibra óptica no lineal (F) es una fibra microestructurada no lineal.

9.- Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha fibra óptica no lineal (F) está dispuesta dentro de dicha cavidad.

10.- Dispositivo según la reivindicación 9, caracterizado, porque dicho medio activo comprende una porción de fibra activa (Fm) con un extremo de salida conectado con un extremo de entrada de la fibra óptica no lineal (F), y porque el sistema de bombeo comprende un diodo de bombeo (D) dispuesto en un extremo de entrada de dicha porción de fibra activa (Fm) para emitir luz hacia su interior.

11- Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque dicha fibra activa (Fm) tiene su núcleo dopado con al menos uno de los elementos del grupo que comprende Yb, Er, Nd, Tm y Ho, o una combinación de los mismos.

12.- Dispositivo según la reivindicación 10 u 11, caracterizado porque comprende un tramo de fibra adaptadora (Fa) que interconecta al extremo de salida de la porción de fibra activa (Fm) con el extremo de entrada de la fibra óptica no lineal (F).

13.- Dispositivo según la reivindicación 10, 11 ó 12, caracterizado porque comprende al menos un elemento de alta reflectividad (R1) dispuesto previo a un extremo de entrada de dicha porción de fibra activa (Fm), antes o después del punto de inserción de la luz proporcionada por dicho diodo de bombeo (D).

14 - Dispositivo según la reivindicación 13, caracterizado porque comprende una porción de fibra óptica adicional (Fn) conectada al extremo de entrada de la porción de fibra activa (Fm), en la cual está dispuesto dicho elemento de alta reflectividad (R1), que es al menos uno, y una red de periodo largo (N) que actúa como filtro pasa-banda centrado en la longitud de onda para la cual la fibra activa (Fm) tiene un máximo de emisión espontánea, terminando en ángulo el extremo libre (T) de dicha porción de fibra óptica adicional (Fn).

15.- Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado porque está configurado para emitir pulsos de luz con un ancho del orden de nanosegundos y una tasa de emisión promedio del orden de mil pulsos por segundo.

16.- Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,

caracterizado porque todos sus componentes son de fibra y están conectados por fusión.

17.- Uso del dispositivo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 como fuente emisora de luz de banda ancha tipo diodo emisor de luz.

18.- Uso del dispositivo según la reivindicación 17 como lámpara halógena.

19.- Uso del dispositivo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 para aplicaciones de imagen biomédica en microscopía de tiempo de vida de fluorescencia, tomografía de coherencia óptica o imagen molecular.

20.- Uso del dispositivo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16

para aplicaciones de instrumentación de medida en caracterización de fibras ópticas, materiales o componentes de fibra óptica.

21.- Uso del dispositivo descrito en una cualquiera de ¡as reivindicaciones 1 a 16 para aplicaciones de equipamiento industrial en clasificación de piezas y materiales,

equipos de inspección, ¡nterferometría de luz blanca para la detección de grietas, defectos y control de calidad.

22.- Uso del dispositivo descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 para aplicaciones en nanofotónica o espectroscopia.