Lente GRIN activa, procedimiento de fabricación y sistema que comprende el uso de la lente.

Lente GRIN activa, procedimiento de fabricación y sistema que comprende el uso de la lente.

La presente invención se refiere a una lente GRIN activa, procedimientos para su fabricación y usos de la misma. La lente GRIN activa de la invención comprende dos o más capas de un óxido metálico o una mezcla de dos o más óxidos metálicos, y se caracteriza porque al menos una capa está dopada con una tierra-rara, y porque al menos una de las capas tiene un índice de refracción distinto a la capa contigua teniendo la lente GRIN activa un perfil predeterminado de índice de refracción complejo.

LENTE GRIN ACTIVA, PROCEDIMIENTO DE FABRICACIÓN Y SISTEMA QUE COMPRENDE EL USO DE LA

LENTE

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una lente GRIN activa y a un método para su fabricación y al uso de lente en dispositivos ópticos.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Desde sus inicios, el número de aplicaciones en las que se utiliza el láser se ha ¡do incrementando paulatinamente. Los haces más simples producidos por una fuente láser son los conocidos como haces gaussianos puros (modo TEM00). La obtención de haces láser con un perfil de irradiancia determinado es de crucial importancia para un gran número de aplicaciones. El proceso de redistribución del perfil de irradiancia para obtener un perfil adecuado que permita la optimización de una aplicación concreta se conoce como conformado de haz, del inglés beam shaping, y existen numerosos libros y publicaciones generales sobre esta técnica, por ejemplo, Dickey & Holswade, Láser Beam Shaping: Theory and Techniques, 2000; o Dickey et. al, Láser Beam Shaping Applications, 2005. Un ejemplo típico de conformado de haces es la conversión de un haz láser de perfil Gaussiano en un haz con amplitud y fase constantes. Estos haces uniformes, que presentan una distribución de irradiancia constante en un área especificada, son necesarios en muchas aplicaciones en las que se emplea el láser, tales como procesado de materiales, litografía, tratamientos médicos, bombeos para otros láseres de mayor potencia, etc. (Dickey et. al, Láser Beam Shaping Applications, 2005). Las principales características que deben tener este tipo de dispositivos son una alta eficiencia y una buena capacidad de uniformizar la irradiancia del haz. La distribución de irradiancia define el perfil de haz mientras que la fase determina sus características de propagación.

Los conformadores de haz han cobrado mucha importancia en los últimos años y se han desarrollado varias alternativas para la conversión de haces gaussianos en haces uniformes. Los métodos de fabricación de estos dispositivos que permiten obtener perfiles uniformes se pueden dividir en dos clases: conformadores intra-cavidad y extra-cavidad. Los dispositivos conformadores intra-cavidad generan un haz plano dentro de la propia cavidad del láser. Para controlar el perfil del haz pueden implementarse conformadores basados en el método de propagación inversa (P.A. Belanger et al., Optical resonators using graded-phase mirrors, Opt. Lett. 16, 1057-1059

(1991) ; C. Paré et al, Custom láser resonators using graded-phase mirrors, IEEE J. Quantum Electron. 28, 355-362

(1992) ). Otros métodos se basan en la utilización de espejos de fase conjugada al final de la cavidad y en la utilización de elementos ópticos difractivos dentro de la cavidad que controlan el perfil del haz (I. A. Litvin et al., Intra-cavity flat-top beam generation. Opt. Express 17, 15891-15903, 2009; I. A. Litvin et al, A. Gaussian mode selection with intracavity diffractive optics, Opt. Lett. 34, 2991-2993 (2009)).

Los dispositivos para conformado extra-cavidad manipulan el haz una vez que éste ha salido de la cavidad láser y se pueden dividir en tres grandes grupos: atenuadores de haz, integradores de haz y de mapeado de campos. En algunas aplicaciones se utiliza una combinación de dos o tres tipos de conformadores.

En el caso de los atenuadores de haz es habitual utilizar filtros de absorción, efectos de polarización u ondas de ultrasonido para generar el haz plano, reduciendo la irradiancia a lo largo del perfil gaussiano. Para conseguir el perfil deseado, se realiza una variación de la polarización de forma radial o se utilizan dos ondas planas de ultrasonido propagándose en direcciones ortogonales, a través del foco del haz láser (M. A. Karim et al, Realization of a uniform circular source using a two-dimensional binary filter, Opt. Lett. 10, 470-471, 1985; S. P. Chang et al, Transformation of Gaussian to Coherent Uniform Beams by Inverse-Gaussian Transmittive Filters, Appl. Opt. 37, 747-752, 1998). El mayor inconveniente de este procedimiento es la gran pérdida de irradiancia que se obtiene como efecto colateral indeseado.

En la técnica de integración de haz, éste se divide en varios haces secundarios gracias a una matriz de lentes, prismas o aberturas. Esas fracciones del haz original se superponen después en un mismo plano utilizando una lente condensadora. Este dispositivo integrador se basa en el hecho de que el patrón de salida es la suma de los patrones de difracción determinados por las aberturas de la matriz/conjunto de lentes. Los integradores de haz son especialmente útiles en dispositivos láser con una distribución multimodal de irradiancia. Existen configuraciones alternativas de conformadores de haz integradores, basándose algunas de ellas en la división del haz principal utilizando múltiples prismas (Kawamura et al, A simple optical device for generating square flat-top intensity irradiation from a Gaussian láser beam, Opt. Commun. 48, 44-46, 1983), o en la utilización de una matriz de microlentes en conjunto con lentes refractivas convencionales (Nishi et al, Two-Dimensional Multi-Lens Array with Circular Aperture Spherical Lens for Flat-Top Irradiation of Inertial Confinement Fusión Target. Opt. Rev. 7, 216 220, 2000), en el uso de una matriz de microrejillas distribuidas en direcciones ortogonales (Zheng et al, Micrograting-array beam-shaping technique for asymmetrical láser beams, Appl. Opt. 44, 3540-3544, 2005) o mediante sistemas compuestos por multiaperturas (Pütsch et al, Active, Multi-aperture Beam Integrator for Application Adapted Láser Materials Processing, DGaO Proceedings. http://www.dgao-proceedings.de- ISSN: 1614-843, 2012) que permite obtener un perfil uniforme de irradiancia con simetría circular, cuadrada o

rectangular. En general, este tipo de dispositivos son muy complejos y tienen un coste muy superior al de otros conformadores.

El último tipo de conformadores son los denominados de mapeado de campos. Esta clase de conformadores se puede aplicar únicamente para haces con una distribución de campo conocida como, por ejemplo, haces monomodo y para fabricarlos se utilizan métodos refractivos, reflectivos o difractivos (Laskin & Laskin, Variable beam shaping with using the same field mapping refractive beam shaper, edited by Kudryashov, Alexis V.; Paxton, Alan H.; Ilchenko, Vladimir S. Proceedings of the SPIE, Volume 8236, article id. 82360D, 10 pp. DOI: 10.1117/12.903606, 2012) o una combinación de éstos para transformar los perfiles de irradiancia y de fase del láser de salida y adaptarlos a la aplicación concreta. Uno de los mayores inconvenientes a la hora de usar técnicas difractivas radica en la baja eficiencia que se consigue en el proceso.

La conformación también se puede llevar a cabo con elementos refractivos no convencionales, tales como lentes pasivas de GRadiente de INdice (GRIN), que son más flexibles y compactas que los conformadores clásicos (SoodBiswas et al, Anamorphic gradient Índex (GRIN) lens for beam shaping, Optics Communications 285, 2607- 2610. 2012; Shealy & Chao, Design ofGRIN láser beam shaper, in Láser Beam Shaping V Conference, edited by Fred M. Dickey and David L. Shealy, Proceedings SPIE 5525, 138-147, 2004). Este tipo de lentes consiguen transformar un haz con un perfil de irradiancia gaussiano en un perfil con una distribución de irradiancia uniforme gracias a una variación continua del índice de refracción en su interior. No se basan por tanto en la curvatura de la lente, y tienen con frecuencia superficies planas. Existen tres tipos, dependiendo de la forma en la que varía el índice de refracción a lo largo de la lente: (i) de gradiente axial, en los que el índice de refracción varía a lo largo del eje de transmisión de la luz; (ii) de gradiente radial, en los que el índice de refracción se mantiene constante a lo largo del eje de transmisión de la luz, pero varía en la dirección perpendicular al eje de transmisión de la luz a medida que nos alejamos de dicho eje; y (iii) de gradiente esférico, de simetría centrosimétrica. Las lentes GRIN tienen numerosas ventajas frente a las tradicionales. La posibilidad de hacerlas con superficies planas facilita su acoplamiento con otros componentes, por ejemplo, fibras ópticas. Típicamente, estas lentes GRIN se fabrican mediante (a) irradiación de nuetrones; (b) deposición química de vapor (Chemical vapor deposition - CVD); (c) intercambio iónico; (d) acumulación iónica (ion stuffíng); (e) polimerización; o (f) procesos sol-gel. Sin embargo, las descritas hasta la fecha tienen todavía algunos inconvenientes para la fabricación de conformadores de haz y existe la necesidad de preparar lentes GRIN con propiedades mejoradas,...

1. Lente GRIN activa que comprende dos o más capas de un óxido metálico o una mezcla de dos o más óxido metálicos, caracterizada la lente GRIN activa porque al menos una capa está dopada con una tierra rara, y porque al menos una de las capas tiene un índice de refracción distinto a la capa contigua teniendo la lente GRIN activa un perfil predeterminado de índice de refracción complejo.

2. Lente GRIN activa, según la reivindicación 1, que comprende tres o más capas.

3. Lente GRIN activa, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho perfil predeterminado de índice de refracción complejo es parabólico con pérdida o con ganancia.

4. Lente GRIN activa, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la tierra rara presente en cada capa se selecciona independientemente del grupo que consiste en disprosio, neodimio, erbio, iterbio, y mezclas de los mismos.

5. Lente GRIN activa, según la reivindicación 4, en donde la tierra rara presente en cada una de las capas se selecciona independientemente del grupo que consiste en erbio, yterbio y una mezcla de ambos.

6. Lente GRIN activa, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha tierra rara es erbio.

7. Lente GRIN activa, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde dicha tierra rara es yterbio.

8. Lente GRIN activa, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el porcentaje en peso de tierra rara en al menos una capa, con respecto al peso total de dicha capa, es diferente al de una de sus capas sucesivas, formando así un perfil predeterminado de índice de refracción complejo.

9. Lente GRIN activa, según la reivindicación 1, en donde dicha lente GRIN activa comprende tres o más capas de un óxido metálico o una mezcla de dos o más óxido metálicos, en donde al menos una capa está dopada con una tierra rara que se selecciona del grupo que consiste en erbio, yterbio y mezclas de ambas, y al menos una de las capas tiene un índice de refracción distinto a la capa contigua, teniendo la lente GRIN activa un perfil de índice de refracción parabólico complejo.

10. Lente GRIN activa, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la proporción molar de la tierra rara en cada una de las capas es igual o inferior al 5 %, con respecto al total de los componentes.

11. Lente GRIN activa, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el óxido metálico o mezcla de dos o más óxido metálicos es una mezcla de sílice y óxido de titanio.

12. Lente GRIN activa, según la reivindicación 11, en donde la proporción molar entre sílice y óxido de titanio oscila en cada capa entre 50:50 y 90:10.

13. Procedimiento para la obtención de una lente GRIN activa tal y como se define en cualquiera de las reivindicaciones anteriores que comprende:

(i) proporcionar sobre un sustrato una primera capa formada a partir de un precursor del óxido de silicio o un material metal-orgánico o mezclas de los mismos,

(ii) proporcionar sobre la primera capa una segunda capa formada a partir de un precursor del óxido de silicio o un material metal-orgánico o mezclas de los mismos, y

(iii) opcionalmente retirar dicho sustrato,

caracterizado porque al menos una capa está dopada con una tierra-rara, y porque al menos una de las capas tiene un índice de refracción distinto a la capa contigua teniendo la lente GRIN activa resultante un perfil predeterminado de índice de refracción complejo.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, caracterizado porque las capas se proporcionan mediante procesos sol-gel.

15. Procedimiento, según la reivindicación 14, que comprende:

(i) preparar una primera mezcla precursora de una primera capa de sol-gel que comprende opcionalmente al menos una tierra rara,

(¡i) sumergir un sustrato en la mezcla,

(i¡¡) extraer dicho sustrato,

(¡v) sinterizar dicho sustrato recubierto con la primera mezcla precursora, y

(v)- repetir las etapas (i)-(iv) con una segunda mezcla precursora de capa de sol-gel que comprende opclonalmente una tierra rara, en donde al menos una capa está dopada con una tierra rara, y porque al menos una de las capas tiene un índice de refracción distinto a la capa contigua teniendo la lente GRIN activa resultante un perfil predeterminado de índice de refracción complejo.

16. Procedimiento, según la reivindicación 15, en donde el sustrato en la etapa (iii) se extrae de la mezcla a velocidad constante.

17. Procedimiento, según la reivindicación 16, en donde la velocidad está comprendida entre 1 y 40 cm/min.

18. Procedimiento, según una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, en donde el sinterizado se lleva a cabo a temperaturas comprendidas entre 200 y 1500 °C.

19. Procedimiento, según la reivindicación 18, en donde el sinterizado se lleva a cabo con una rampa de calentamiento de 1 a 20 °C/min en aire.

20. Láser que comprende una lente GRIN activa tal y como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

21. Dispositivo que comprende una lente GRIN activa tal y como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.

22. Dispositivo que comprende un láser tal y como se define en la reivindicación 20.

23. Uso de una lente GRIN activa tal y como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 en aplicaciones holográficas, médicas, almacenamiento de datos, procesado de materiales, litografía y bombeo de láseres ultraintensos.

24. Uso de un láser tal y como se define en la reivindicación 20, en aplicaciones holográficas, médicas, almacenamiento de datos, procesado de materiales, litografía y bombeo de láseres ultraintensos.

25. Uso del dispositivo tal y como se define en las reivindicaciones 21 ó 22 en aplicaciones holográficas, médicas, almacenamiento de datos, procesado de materiales, litografía y bombeo de láseres ultraintensos.