Dispositivo de generación de un impulso láser de duración reducida.

Dispositivo (1) de generación de un impulso láser de duración reducida (7) que comprende:

- medios de generación de un haz láser de entrada (3) que proporciona un impulso láser de entrada de la longitud de onda l;

- una lámina transparente (4) que comprende un material no lineal dispersivo que tiene un índice de refracción no lineal;

- estando los medios de generación de un haz láser de entrada (3) adaptados para que el haz láser de entrada (3) tenga una densidad de potencia superior a 1011 vatios por centímetro cuadrado en la lámina para que la lámina ensanche el espectro del impulso láser de entrada por auto-modulación de fase para generar un impulso láser de espectro ensanchado (5);

- medios de compresión (6) dispuestos para comprimir el impulso láser de espectro ensanchado para generar el impulso láser de duración reducida (7),

estando caracterizado el dispositivo porque los medios de generación de un haz láser de entrada (3) están adaptados para que el haz de entrada (3) sea espacialmente uniforme en amplitud en la lámina transparente (4) y para que la integral de rotura**Fórmula** del haz sea inferior a tres cuando atraviesa la lámina

transparente (4), siendo n2(z) el índice de refracción de la lámina transparente, siendo l el espesor de la lámina transparente, siendo I(z) la densidad de superficie de potencia del haz de entrada (3) y donde z es según la dirección del haz a la travesía de la lámina transparente.

Dispositivo de generación de un impulso láser de duración reducida

La invención se refiere a un dispositivo de generación de un impulso láser de duración reducida.

En tal dispositivo, el impulso láser de duración reducida se obtiene por reducción de la duración de un impulso de entrada.

Un objetivo de la invención es proporcionar tal dispositivo de generación de un impulso láser de duración reducida que permite la utilización de un impulso láser de entrada de alta energía, típicamente superior al Julio y de corta duración, típicamente del orden de los femtosegundos.

Los dispositivos clásicos de generación de un impulso láser de duración reducida en los que el impulso láser de entrada es inyectado en fibras ópticas de efecto no lineal para ensanchar el espectro del impulso láser de entrada, tales como los descritos en la publicación de Shekel y col., «Generación of 3.8 fs. pulses from adaptative compression of a cascaded hollow fiber supercontinuum», no permiten la utilización de impulsos láser de entrada de alta energía debido al daño de las fibras con este nivel de energía.

La publicación de Shah y col., «Ultrafast high energy amplifiers beyond the B-integral limit», describe láseres de alta energía que utilizan fibras ópticas y se interesa entre otros por los límites de la integral de rotura B.

La invención se refiere entonces a un dispositivo de generación de un impulso láser de duración reducida en propagación libre, es decir en un medio no guiado.

La invención se refiere más en particular a un dispositivo de generación de un impulso láser de duración reducida que comprende:

- medios de generación de un haz láser de entrada que proporciona un impulso láser de entrada de la longitud de

onda X;

- una lámina transparente que comprende un material no lineal dispersivo que tiene un índice de refracción no lineal;

- estando los medios de generación de un haz láser de entrada adaptados para que el haz láser de entrada tenga una densidad de potencia superior a 111 vatios por centímetro cuadrado sobre la lámina con el fin de que la lámina ensanche el espectro del impulso láser de entrada por auto-modulación de fase para generar un impulso láser de espectro ensanchado;

- medios de compresión dispuestos para comprimir el impulso láser de espectro ensanchado para generar el impulso láser de duración reducida,

- estando el dispositivo caracterizado porque los medios de generación de un haz láser de entrada están adaptados para que el haz de entrada sea espacialmente uniforme en amplitud sobre la lámina transparente y para que la

B' ^ríón2(z)/(z)<fe

integral de rotura /l u del haz sea inferior a tres cuando atraviesa la lámina transparente,

siendo ri2(z) el índice de refracción de la lámina transparente, siendo / el espesor de la lámina transparente, siendo l(z) la densidad de superficie de potencia del haz de entrada y donde z es según la dirección del haz a la travesía de la lámina transparente.

Se ha constatado que el efecto de auto-modulación de fase se obtenía para densidades de potencia del impulso láser superiores a 111 W.cm'2.

Tal dispositivo es conocido a partir de la publicación de Mével y col., «Extracavity compression technique for high- energy femtosecond pulses», que apunta asimismo a permitir la utilización de impulsos láser de entrada de alta energía, típicamente superior al Julio y de corta duración, típicamente del orden de los femtosegundos.

En la publicación de Mével y col., la auto-modulación de fase que permite ensanchar el espectro del impulso de entrada es realizada en un medio no guiado gracias a una lámina de material no lineal BK7 sobre la que es inyectado el haz láser de entrada. Un impulso ensanchado que comprende nuevas frecuencias se obtiene entonces a la salida de la lámina. En efecto, para densidades de potencia superiores a 111 W/cm2 del haz láser recibido por la lámina, un efecto de auto-modulación de fase se produce en la lámina de material no lineal.

Espejos chirpeados, es decir, de dispersión controlada, permiten entonces comprimir este impulso ensanchado para generar el impulso corto.

En la publicación de Mével y col. mencionada anteriormente, el haz láser de entrada es espacialmente un gausiano. Este haz está focalizado sobre un filtro espacial por una lente. La lámina no lineal está posicionada entre la lente y el filtro espacial para generar un impulso láser de espectro ensanchado.

Sin embargo, en la publicación de Mével mencionada anteriormente, los efectos no lineales son desiguales en el conjunto del haz, de manera que la recompresión y la reducción de la duración no son homogéneas y son imperfectas.

Además, en la publicación mencionada anteriormente, debido a la utilización de una distribución espacial gausiana, un efecto de autofocalización del haz se produce en la travesía de la lámina no lineal. Este segundo efecto no lineal de autofocalización tiene por consecuencia degradar espacialmente el haz láser, haciéndolo de este modo inutilizable y peligroso para las ópticas especialmente en el caso de haces energéticos.

Un objeto de la invención es mejorar la calidad de la reducción de la duración de impulso en un dispositivo tal como el descrito anteriormente, especialmente preservando las ópticas del dispositivo.

Este objeto se consigue mediante la invención gracias al hecho de que los medios de generación láser están dispuestos para que el haz de entrada sea espacialmente uniforme sobre la lámina transparente y tenga una integral B inferior a tres cuando atraviesa la lámina transparente.

De este modo, el efecto no lineal y el efecto dispersivo de la lámina son uniformes en el conjunto del haz. De ello resulta que el ensanchamiento espectral por efecto de auto-modulación es uniforme, lo que garantiza una reducción uniforme de la duración en todo el haz.

La calidad de la reducción de la duración del impulso se mejora por lo tanto en gran medida. En particular, se ha constatado que la invención permite obtener, en salida del dispositivo, impulsos muy energéticos en regímenes de duración del orden de una decena de femtosegundos, gracias a un factor de reducción de la duración de impulso respecto del impulso de entrada del orden de dos a tres. Este factor de reducción puede obtenerse para una energía del impulso de entrada superior a 1 Julios.

Por el contrario, el dispositivo descrito en la publicación de Mével mencionada anteriormente no permitiría la utilización de un haz espacialmente uniforme como en la invención. En efecto, la lente convergente utilizada en el dispositivo de Mével antes de la lámina transparente no permite obtener una repartición uniforme sobre la lámina transparente.

Se describen ahora modos de realización ventajosos de la invención.

Por otra parte, es conocido que la integral B de un haz láser de longitud de onda X en la travesía en la dirección z de un medio de espesor I que tiene un índice de refracción no lineal n2<z) y una densidad de potencia l(z) se define como sigue:

Integral

B =

El valor de la integral B es importante para un haz láser de alta energía, puesto que para estos haces, la intensidad es tal que efectos no lineales se acumulan aún más a medida que avanza el impulso en la lámina.

Para un valor de la integral B inferior a 3, se ha constatado que la deformación espacial era relativamente insignificante. En efecto, cuando el haz de entrada uniforme, es decir en escalón, es ruidoso, el ruido presenta frecuencias espaciales elevadas. Ahora bien, al paso por la lámina transparente, se produce una amplificación proporcional a una exponencial de la integral B dependiente de la frecuencia. La deformación espacial del haz empieza entonces a ser significativa para valores de la integral B superiores a 3.

El factor de compresión de la duración de impulso obtenido gracias al dispositivo de la invención es entonces del orden del valor de la integral B. Es precisamente igual a ese valor de la integral B en el caso ideal de un impulso gausiano temporalmente.

Preferentemente, los medios de generación láser están dispuestos para que el haz de entrada tenga una integral B comprendida entre dos y tres cuando atraviesa la lámina transparente para obtener un factor de compresión de la duración de impulso sensiblemente comprendido entre 2 y 3.

El haz láser de entrada tiene preferentemente una densidad de potencia superior a 111 vatios por centímetro

cuadrado en la lámina, con el fin de permitir la obtención del efecto de auto-modulación en la lámina.

El haz láser es... [Seguir leyendo]

1Dispositivo (1) de generación de un impulso láser de duración reducida (7) que comprende:

- medios de generación de un haz láser de entrada (3) que proporciona un impulso láser de entrada de la longitud de onda X]

- una lámina transparente (4) que comprende un material no lineal dispersivo que tiene un índice de refracción no lineal;

- estando los medios de generación de un haz láser de entrada (3) adaptados para que el haz láser de entrada (3) tenga una densidad de potencia superior a 111 vatios por centímetro cuadrado en la lámina para que la lámina ensanche el espectro del impulso láser de entrada por auto-modulación de fase para generar un impulso láser de espectro ensanchado (5);

- medios de compresión (6) dispuestos para comprimir el impulso láser de espectro ensanchado para generar el impulso láser de duración reducida (7),

estando caracterizado el dispositivo porque los medios de generación de un haz láser de entrada (3) están adaptados para que el haz de entrada (3) sea espacialmente uniforme en amplitud en la lámina transparente (4) y

B=

para que la integral de rotura A u del haz sea inferior a tres cuando atraviesa la lámina

transparente (4), siendo ti2(z) el índice de refracción de la lámina transparente, siendo / el espesor de la lámina transparente, siendo l(z) la densidad de superficie de potencia del haz de entrada (3) y donde z es según la dirección del haz a la travesía de la lámina transparente.

2.- Dispositivo según la reivindicación anterior en el que los medios de generación de un haz láser de entrada (3) están adaptados para que la longitud de onda X y/o la distribución espacial de la intensidad l(z) del haz de entrada (3) sean tales que la integral B del haz esté comprendida entre dos y tres cuando atraviesa la lámina transparente.

3.- Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el haz láser está colimado hacia la lámina transparente.

4.- Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores en el que los medios de compresión comprenden al menos un espejo chirpeado o una red de compresión de impulso.

5.- Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores en el que la lámina es una lámina de sílice SÍO2.

6.- Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores en el que la lámina es una lámina de vidrio.

7.- Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores en el que los medios de generación de un haz láser de entrada (3) comprenden un láser de amplificación de deriva de frecuencia.

8.- Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, en el que los medios de generación de un haz láser de entrada (3) comprenden un filtro espacial constituido por un diafragma y situado entre el láser y la lámina transparente para uniformizar un haz láser para proporcionar, en salida del filtro espacial, el haz láser de entrada (3) espacialmente uniforme sobre la lámina.

9.- Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, medios dispuestos para reinyectar el haz de salida que proporciona el impulso láser de duración reducida hacia la lámina transparente (4).

1.- Dispositivo según la reivindicación anterior que comprende, además, medios de filtración espacial dispuestos para filtrar el haz de salida que proporciona el impulso láser de duración reducida antes de su reinyección en la lámina transparente (4).

11.- Sistema (1) de generación de un impulso láser de duración reducida que comprende un primer dispositivo (1) según una de las reivindicaciones anteriores y un segundo dispositivo (V) según una de las reivindicaciones anteriores y en el que el haz de salida del primer dispositivo que proporciona el impulso láser de duración reducida se utiliza para proporcionar el haz de entrada en el segundo dispositivo.

12. Sistema de generación de un impulso láser de duración reducida según la reivindicación 11 que comprende, además, medios de filtración (11) dispuestos para filtrar espacialmente el haz de salida del primer dispositivo para generar un haz filtrado (12) utilizado como haz de entrada en el segundo dispositivo.

13. Procedimiento para generar un impulso láser de duración reducida (7) que comprende las etapas que consisten en:

- generar un haz láser de entrada (3) que proporciona un impulso láser de entrada de la longitud de onda X, teniendo 5 el haz láser de entrada (3) una densidad de potencia superior a 111 vatios por centímetro cuadrado en la lámina;

- transmitir el haz láser de entrada hacia una lámina transparente (4) que comprende un material no lineal y dispersivo para que la lámina ensanche el espectro del impulso láser de entrada por auto-modulación de fase para generar un impulso láser de espectro ensanchado (5);

- comprimir el impulso láser de espectro ensanchado para generar el impulso láser de duración reducida;

estando el procedimiento caracterizado porque el haz láser de entrada (3) es espacialmente uniforme en amplitud

B= T-íó"2(z)J(z)dz

sobre la lámina (4) y porque la integral de rotura es inferior a tres cuando atraviesa la

lámina transparente (4), siendo ri2(z) el índice de refracción de la lámina transparente, siendo / el espesor de la lámina transparente, siendo l(z) la densidad de superficie de potencia del haz de entrada (3) y donde z es según la dirección del haz a la travesía de la lámina transparente.