ES2318237T3 - Sistema y procedimiento para medir y controlar la energia de un pulso ultracorto de un haz de laser. - Google Patents
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Abstract
Un sistema (10) para medir energía en un pulso ultracorto de un haz (14) de láser, en el que el haz (14) de láser tiene una polarización, que comprende: un medio (12) para dirigir el haz (14) de láser a lo largo de una trayectoria (20) de haz, donde dicho haz (14) de láser incluye una pluralidad de pulsos ultracortos y cada pulso tiene energía; un medio (32) para convertir una parte (26) predeterminada de la energía de cada pulso ultracorto del haz (14) de láser en una corriente eléctrica, donde la corriente produce un pulso de tensión indicativo de la energía en un único pulso de láser; un medio (36) para amplificar dicho pulso de tensión; un medio (38) para integrar el pulso de tensión amplificado a lo largo de un periodo de tiempo especificado para obtener una señal (72) de salida, donde la señal (72) de salida es una medida de la energía en un pulso ultracorto del haz (14) de láser; un circuito (48) de sincronización láser para iniciar el proceso de integración; una placa (18) de media onda giratoria situada en la trayectoria (20) de haz para establecer una orientación de la polarización del haz (14) de láser; un divisor (24) de haz de polarización alineado de manera óptica con dicha placa (18) de media onda giratoria para reflejar la parte (26) predeterminada de la energía de cada pulso ultracorto del haz (14) de láser hacia dicho medio (32) de conversión, y para transmitir el resto (28) del haz (14) de láser a lo largo de la trayectoria (20) de haz; un comparador (60) para controlar dicha placa (18) de media onda, donde dicho comparador (60) compara la señal (72) de salida con una señal de referencia conocida para generar una señal (74) de error, y donde dicho comparador (60) compara la señal (80) de salida del resto con la señal de referencia conocida para generar una señal (81) de verificación, y donde además la señal (81) de verificación se compara con la señal (74) de error para compensar la señal (81) de verificación según sea necesario para hacer girar dicha placa (18) de media onda y establecer la orientación de la polarización del haz (14) de láser; un dispositivo (42) lógico programable para controlar la sincronización de la medición de la energía láser; un medio (52) para extraer un parte (54) fija de la energía de cada pulso ultracorto en el resto (28) del haz (14) de láser; y un medio (58) para medir la parte fija de la energía.
Description
Sistema y procedimiento para medir y controlar
la energía de un pulso ultracorto de un haz de láser.
La presente invención pertenece, en general, a
sistemas para medir la energía de un haz de láser. Más en
particular, la presente invención pertenece a sistemas para medir
la energía de un pulso ultracorto de un haz de láser, donde el haz
de láser comprende una pluralidad de pulsos ultracortos. La presente
invención es particularmente, pero no exclusivamente, útil como un
sistema y un procedimiento para medir una parte predeterminada de la
energía de un pulso ultracorto de un haz de láser, para controlar
la energía del haz para la cirugía refractiva por láser.
En muchas de las aplicaciones actuales de los
láseres de pulsos ultrarrápidos (es decir, frecuencias de repetición
en el intervalo de 1 a 100 kHz) y ultracortos, es necesario o
deseable medir, y en algunos casos controlar, la energía del haz de
láser que incide sobre un cuerpo de destino. Por ejemplo, en la
cirugía refractiva por láser, la interacción
"láser-tejido" dentro de la córnea del ojo
puede depender en gran medida de la energía. Por lo tanto, es
preferible poder medir la energía del haz de láser antes de que el
haz salga del sistema láser quirúrgico y entre en el ojo. Muchos de
los medios actuales para medir la energía de haces de láser
pulsados se basan en principios piroeléctricos o térmicos.
Desafortunadamente, estos procedimientos no pueden medir con
precisión la energía de un único pulso de láser ultracorto de un haz
de láser de femtosegundo, es decir, un haz con duraciones de pulso
en el intervalo de 1 fs a 100 ps aproximadamente y con frecuencias
de repetición de pulso de varios kilohercios. Por tanto, se
necesita un procedimiento alternativo para medir la energía de un
pulso de láser ultrarrápido y ultracorto.
Una posibilidad para medir la energía de un
pulso de láser ultrarrápido y ultracorto es definir la función de
medición en términos de un circuito eléctrico equivalente. Usando
este enfoque, sería posible integrar en el tiempo una tensión de
salida del circuito para proporcionar un valor proporcional a la
energía láser de entrada. Considerando este enfoque en mayor
detalle, puede usarse un fotodiodo para detectar los pulsos
individuales de un haz de láser. Cuando se detecta luz
correspondiente a la longitud de onda operativa del fotodiodo, el
fotodiodo absorbe la luz y los portadores de carga se separan dentro
del fotodiodo. Generalmente se sabe que la cantidad de portadores
de carga separados, que es realmente la carga, es directamente
proporcional a la energía del pulso de láser incidente. Si ambos
extremos del fotodiodo están conectados eléctricamente, los
portadores de carga separados se igualarán y generarán una
corriente. En particular, la integral en el tiempo de esta
corriente es proporcional a la cantidad de portadores de carga
separados. Por lo tanto, se obtiene que la integral de una tensión
generada por la corriente también es proporcional a la cantidad de
portadores de carga separados. Es importante señalar que el valor de
esta integral es el valor de salida y es proporcional a la energía
del pulso de láser incidente. Con respecto a la integración de la
tensión mencionada anteriormente, se usa un integrador analógico
rápido para calcular la integral. El proceso de integración puede
iniciarse antes, durante o justo después de que el pulso de láser
llegue al fotodiodo.
Existen varias ventajas en la utilización de un
circuito de fotodiodo para definir y cuantificar la energía de
pulsos en términos de la integral de la tensión. Sin embargo,
debería observarse que muchos fotodiodos comprenden detectores de
valores de "pico". Desafortunadamente, este tipo de detector no
puede medir pulsos ultracortos a frecuencias de repetición muy
altas. No obstante, con determinados fotodiodos muy conocidos en la
técnica pertinente, sería posible medir la energía de un único pulso
ultracorto. En este contexto, la medición es realmente la
integración de la respuesta de impulsos del fotodiodo. Una ventaja
de integrar la respuesta de impulsos es que la medición no depende
de la duración de pulso o del número de pulsos. Una ventaja
adicional es que las fluctuaciones de la capacidad del fotodiodo no
afectan a la medición final. Además, pueden conseguirse mediciones
de energía pulso a pulso a altas frecuencias de repetición.
Además de cuantificar la energía de un pulso de
láser, los datos de energía medidos también pueden usarse como
retroalimentación en un bucle de control para controlar la energía
del haz de láser. Con respecto a las aplicaciones médicas, tales
como la cirugía refractiva por láser, tanto la eficacia del sistema
como la seguridad del paciente hacen necesario tal control
positivo.
A partir del documento
US-A-5275594 se obtiene un sistema
para medir energía en un pulso ultracorto de un haz de láser, que
comprende un medio para dirigir el haz de láser a lo largo de una
trayectoria de haz, un medio para convertir una parte de la energía
del pulso en una corriente eléctrica, un medio para amplificar el
pulso de tensión resultante, un medio para integrar el pulso de
tensión amplificado a lo largo de un periodo de tiempo especificado
con el fin de obtener una señal que sea una medida de la energía de
un pulso y un circuito de sincronización láser para iniciar el
proceso de integración.
El documento
US-A-5225884 muestra un aparato para
medir energía en un pulso ultracorto de un haz de láser que
comprende una fuente láser para dirigir un haz de láser a lo largo
de una trayectoria de haz, un fotodiodo para recibir una parte
predeterminada de la energía de cada pulso, un amplificador para
amplificar el pulso de tensión y un integrador para integrar el
pulso de tensión amplificado a lo largo de un periodo de tiempo
especificado.
\newpage
El documento
DE-A-40 29 530 también muestra un
aparato para medir energía en un pulso ultracorto de un haz de
láser que comprende una fuente láser y un fotodiodo para recibir una
parte predeterminada de la energía de cada pulso ultracorto del haz
de láser para generar una corriente con la misma, donde la corriente
produce un pulso de tensión indicativo de la energía en un único
pulso de láser.
Además, el documento
US-A-2003/0043445 muestra un sistema
de control de polarización y un estado de detectores de
polarización.
En vista de lo anterior, es un objeto de la
presente invención proporcionar un sistema y un procedimiento para
medir la energía de un haz de láser. Otro objeto de la presente
invención es proporcionar un sistema y un procedimiento para medir
la energía de un único pulso ultrarrápido y ultracorto de un haz de
láser, donde el haz de láser comprende una pluralidad de pulsos a
frecuencias de repetición muy altas, en el intervalo de 1 a 100
kHz. Todavía otro objeto de la presente invención es proporcionar un
sistema y un procedimiento para medir la energía de un pulso
ultrarrápido y ultracorto de un haz de láser para controlar la
energía láser que incide sobre un cuerpo de destino. Todavía otro
objeto de la presente invención es proporcionar un sistema y un
procedimiento para medir la energía de un pulso ultrarrápido y
ultracorto de un haz de láser que sean fáciles de usar,
relativamente sencillos de fabricar y relativamente económicos.
Un sistema para medir y controlar la energía en
un pulso ultracorto de un haz de láser según la reivindicación 1,
en el que el haz de láser comprende una pluralidad de pulsos,
incluye una fuente láser para dirigir el haz de láser a lo largo de
una trayectoria de haz. Un procedimiento inventivo relacionado se
obtiene a partir de la reivindicación 5. Preferentemente, el haz de
láser es un haz de láser de femtosegundo que tiene pulsos con
duraciones del orden de 1 femtosegundo a 100 picosegundos.
Adicionalmente, el sistema de la presente invención incluye un
subconjunto para reflejar selectivamente una parte de la energía del
haz de láser, transmitiendo a la vez el resto del haz de láser a lo
largo de la trayectoria de haz. Más específicamente, el subconjunto
incluye una placa de media onda giratoria y un divisor de haz de
polarización. La placa de media onda giratoria está situada en la
trayectoria de haz para establecer una orientación de la
polarización lineal del haz de láser. Además, el divisor de haz de
polarización está alineado de manera óptica con la placa de media
onda para reflejar una parte predeterminada de la energía y para
transmitir el resto del haz de láser a lo largo de la trayectoria
de haz.
Tal y como se contempla mediante la presente
invención, un medidor de energía láser (LEM, laser energy
meter) está colocado para recibir la parte predeterminada del
haz de láser que refleja el divisor de haz de polarización. De
manera estructural, el LEM incluye un fotodiodo para recibir la
energía de cada pulso ultracorto y para absorber la energía para
generar una corriente. Preferentemente, un filtro óptico está
integrado en el LEM para controlar la energía que incide sobre el
fotodiodo. Además, el LEM incluye una resistencia para aplicar la
corriente para generar un pulso de tensión, y un amplificador para
amplificar el pulso de tensión. Adicionalmente, un integrador está
en comunicación electrónica con el amplificador para recibir e
integrar el pulso de tensión amplificado a lo largo de un periodo
de tiempo especificado, para obtener una señal de salida. Además del
LEM, el sistema de la presente invención incluye un comparador para
comparar la señal de salida del LEM con una señal de referencia
conocida, para generar una señal de error. Además, el comparador
está en comunicación electrónica con la placa de media onda para
transmitir la señal de error a la placa de media onda. La señal de
error se usa después para hacer girar la placa de media onda y para
conseguir de ese modo el nivel de energía láser deseado cuando la
señal de error es nula.
Además del subconjunto y del LEM descritos
anteriormente, el sistema también puede incluir un divisor de haz
de proporción fija situado en la trayectoria de haz aguas abajo del
divisor de haz de polarización. Más en particular, el divisor de
haz de proporción fija está colocado para extraer una parte fija de
energía de cada pulso ultracorto del resto del haz de láser.
Además, un LEM de "verificación" puede estar alineado de manera
óptica con el divisor de haz de proporción fija para medir la parte
fija de la energía extraída por el divisor de haz de proporción
fija. Para los fines de la presente invención, el LEM de
verificación tiene la misma estructura que el LEM descrito
anteriormente. Además, el comparador está en comunicación
electrónica con el LEM de verificación para recibir y procesar la
señal de salida del resto generada por el LEM de verificación.
Durante el funcionamiento de la presente
invención, la fuente láser genera un haz de láser polarizado de
manera lineal que tiene un vector de campo E que define la
orientación de la polarización del haz. Inicialmente, la placa de
media onda gira sobre su eje de rotación para colocar el eje
principal de la placa en un ángulo "\theta" con respecto al
vector de campo E. Cuando el haz de láser pasa por la placa de media
onda, se establece una nueva orientación de la polarización del haz
de láser. Específicamente, cuando el haz de láser pasa por la placa
de media onda, el vector de campo E gira en un ángulo de
"2\theta". Después de pasar por la placa de media onda, el
haz de láser se dirige hacia el divisor de haz de polarización. En
el divisor de haz de polarización, el haz se divide en dos
polarizaciones ortogonales. Más específicamente, el divisor de haz
de polarización refleja una primera polarización, es decir, el
divisor de haz refleja una parte predeterminada de la energía de
cada pulso de láser ultracorto. Además, la segunda polarización, que
es el resto del haz de láser, se transmite a lo largo de la
trayectoria de haz.
Tal y como se prevé mediante la presente
invención, la parte predeterminada de la energía de cada pulso,
reflejada por el divisor de haz de polarización, se absorbe por el
fotodiodo del LEM. En el LEM, el fotodiodo genera una corriente en
la resistencia, lo que provoca un pulso de tensión en la entrada del
amplificador. El pulso de tensión se amplifica en el amplificador y
se transmite posteriormente al integrador, en el que el pulso de
tensión se integra a lo largo de un periodo de tiempo especificado.
Por consiguiente, el integrador genera una señal de salida. Como
puede apreciarse, la señal de salida es una medida de la cantidad de
carga producida en el fotodiodo. A su vez, la cantidad de carga es
una medida de la energía reflejada por el divisor de haz de
polarización y absorbida por el fotodiodo.
Al final del proceso de integración, la señal de
salida se transmite electrónicamente al comparador. En una
realización de la presente invención, la señal de salida se compara
con una señal de referencia conocida representativa de la energía
láser requerida en el cuerpo de destino. A partir de esta
comparación de las señales de salida y de referencia, se genera una
señal de error. Esta señal de error se transmite después a la placa
de media onda y se usa para hacer girar la placa de media onda. La
rotación de la placa estabiliza una nueva orientación de la
polarización del haz de láser. Tal y como pueden apreciar los
expertos en la materia, establecer una nueva orientación para la
polarización del haz de láser modifica la cantidad de energía que
refleja el divisor de haz de polarización. Es importante señalar
que este cambio en la cantidad de energía reflejada es proporcional
a un cambio en la energía del resto del haz de láser que se
transmite a lo largo de la trayectoria de haz.
Con respecto al resto del haz de láser, el
divisor de haz de proporción fija está situado en la trayectoria de
haz para recibir el resto del haz de láser. Cuando el resto del haz
de láser pasa a través del divisor de haz de proporción fija se
extrae una parte fija de la energía de cada pulso ultracorto del haz
de láser. Al mismo tiempo, la parte restante del haz se transmite
hacia el cuerpo de destino. Preferentemente, el porcentaje de
energía extraída está en el intervalo de un uno hasta un cinco por
ciento (1 al 5%) de la energía total del resto del haz. Además, la
parte extraída del haz de láser se refleja hacia el LEM de
verificación. En el LEM de verificación, la energía se absorbe y se
genera una señal de salida del resto. Debe entenderse que la señal
de salida del resto es una medida de la corriente producida en el
fotodiodo del LEM de verificación. A su vez, la corriente producida
es una medida de la energía extraída de cada pulso del resto del haz
de láser.
Una vez que haya finalizado el proceso de
integración en el LEM de verificación, el comparador recibe la señal
de salida del resto y compara la señal de salida del resto con una
señal de referencia conocida. Se genera entonces una señal de
verificación. En la realización preferida de la presente invención,
la señal de verificación se transmite directamente a la placa de
media onda en lugar de la señal de error. En la placa de media onda,
la señal de verificación se usa para hacer girar la placa según sea
necesario para establecer una nueva orientación de la polarización
del haz. En una realización alternativa, la señal de verificación se
compara con la señal de error descrita anteriormente. Cualquier
variación entre la señal de verificación y la señal de error se
resuelve por el comparador, y una nueva señal de verificación se
transmite a la placa de media onda. Según sea necesario, la placa
de media onda gira para establecer una nueva orientación de la
polarización del haz de láser. Tal y como se ha expuesto
anteriormente, un cambio en la orientación de la polarización del
haz de láser da como resultado un cambio en la energía transmitida
hacia el cuerpo de destino en el resto del haz de láser.
Las características novedosas de esta invención,
así como la propia invención, tanto su estructura como su
funcionamiento, se entenderán mejor a partir de los dibujos
adjuntos, tomados junto con la siguiente descripción, en los que los
mismos caracteres de referencia se refieren a las mismas partes, y
en los que:
la fig. 1 es una vista esquemática de un
sistema para medir y controlar la energía de un pulso ultracorto de
un haz de láser, según la presente invención;
la fig. 2 es una vista esquemática de un
medidor de energía láser para medir una parte predeterminada de la
energía de un pulso ultracorto de un haz de láser;
la fig. 3 es una vista en perspectiva de un
subconjunto de la presente invención, que incluye una placa de
media onda para estabilizar una orientación de la polarización del
haz de láser y un divisor de haz de polarización para reflejar una
parte del haz hacia un medidor de energía láser transmitiendo a la
vez el resto del haz a lo largo de la trayectoria de haz;
la fig. 4 es una vista esquemática de un bucle
de control para controlar la energía de un haz de láser; y
la fig. 5 es una vista en perspectiva de un
divisor de haz de proporción fija para dividir el resto del haz de
láser en dos componentes y para reflejar un componente hacia un
medidor de energía láser transmitiendo a la vez el segundo
componente hacia el cuerpo de destino;
Un sistema para medir y controlar la energía de
un pulso ultracorto en un haz de láser, según la presente
invención, se muestra en la fig. 1 y está designado generalmente
como 10. Tal como se muestra, el sistema 10 incluye una fuente 12
láser para dirigir un haz 14 de láser hacia un cuerpo 16 de destino.
Preferentemente, la fuente 12 láser es una fuente 12 de láser de
femtosegundo. Más específicamente, la duración de pulso de un único
pulso del haz 14 de láser está en el intervalo de 1 femtosegundo a
100 picosegundos, aproximadamente. Como puede apreciarse, el haz 14
de láser comprende una pluralidad de pulsos ultracortos, en la que
cada pulso ultracorto tiene una energía. Además, el haz 14 de láser
tiene un haz 14 polarizado de manera lineal. Además de la fuente 12
láser, el sistema 10 de la presente invención incluye una placa 18
de media onda giratoria. Específicamente, la placa 18 de media onda
es de un tipo ampliamente conocido en la técnica pertinente para
establecer una orientación de la polarización del haz 14 de láser.
Tal como se muestra, la placa 18 de media onda está situada en la
trayectoria 20 de haz con un eje 22 de rotación que está orientado
en paralelo a la trayectoria 20 de haz. Haciendo todavía referencia
a la fig. 1, un divisor 24 de haz de polarización está situado
secuencialmente en la trayectoria 20 de haz después de la placa 18
de media onda. Más en particular, el divisor 24 de haz de
polarización está alineado de manera óptica con la placa 18 de media
onda para reflejar una parte 26 predeterminada de la energía de
cada pulso ultracorto del haz 14 de láser. Adicionalmente, el
divisor 24 de haz transmite el resto 28 del haz 14 de láser a lo
largo de la trayectoria 20 de haz hacia el cuerpo 16 de destino.
Tal como se muestra adicionalmente en la fig. 1, un medidor 30 de
energía de láser (LEM) está alineado de manera óptica con el
divisor 24 de haz de polarización para recibir y medir la parte 26
predeterminada de la energía de cada pulso.
Haciendo referencia por un instante a la fig. 2,
se muestra en mayor detalle el LEM 30 de la presente invención. Tal
como se muestra, el LEM 30 incluye un fotodiodo 32 para recibir la
parte 26 predeterminada de la energía y para generar una corriente.
Preferentemente, el LEM 30 también incluye un filtro 33 óptico para
controlar la energía que incide sobre el fotodiodo 32. Como
resultado de poder controlar la energía incidente, el sistema 10 de
la presente invención puede incluir cualquier número de fuentes 12
láser que generen haces 14 de láser que tengan diferentes energías.
Además, una resistencia 34 está colocada para recibir la corriente y
para producir de ese modo un pulso de tensión. Además, un
amplificador 36 está colocado para recibir y amplificar el pulso de
tensión. Tal como se muestra en la fig. 2, un integrador 38 está en
comunicación electrónica con el amplificador 36 para integrar el
pulso de tensión amplificado a lo largo de un periodo de tiempo
especificado para obtener una señal de salida analógica.
Preferentemente, el LEM 30 incluye un conversor 40 A/D para
convertir la señal de salida analógica en una señal digital. El LEM
30 también incluye un dispositivo 42 lógico programable complejo
(CPLD, complex programmable logic device) para controlar la
sincronización del LEM 30. Tal como se muestra adicionalmente en la
fig. 2, el CPLD 42 está en comunicación electrónica tanto con el
integrador 38 como con el conversor 40 A/D. Además, el LEM 30
incluye un puerto 44 de conexión y un puerto 46 de conexión, en el
que el puerto 44 de conexión es un puerto de interfaz COM digital.
Tal y como se contempla mediante la presente invención, un circuito
48 de sincronización láser, para controlar la activación del LEM 30
primario y para iniciar el proceso de integración, está conectado al
puerto 46 de conexión a través de un cable 50 eléctrico.
Volviendo a la fig. 1, un divisor 52 de haz de
proporción fija está situado en la trayectoria 20 de haz. Más
específicamente, el divisor 52 de haz de proporción fija está
situado secuencialmente en la trayectoria 20 de haz después del
divisor 24 de haz de polarización. Debe observarse que un conjunto
56 óptico (mostrado en líneas discontinuas), que aloja los
dispositivos ópticos necesarios para enfocar el haz 14 de láser
hacia un punto focal, está situado entre el divisor 24 de haz de
polarización y el divisor 52 de haz de proporción fija. Además, un
LEM 58 de verificación está alineado de manera óptica con el divisor
52 de haz de proporción fija para recibir y medir la parte 54 fija
de energía extraída por el divisor 52 de haz de proporción fija.
Tal y como se prevé mediante la presente invención, el LEM 58 de
verificación tiene la misma estructura y funcionalidad que el LEM
30. Además, un comparador 60 está en comunicación electrónica con el
LEM 30 y con el LEM 58, a través de los cables 62 y 64 eléctricos,
respectivamente. Adicionalmente, el comparador 60 está en
comunicación electrónica con la placa 18 de media onda a través del
cable 66 eléctrico.
Durante el funcionamiento de la presente
invención, la fuente 12 láser genera un haz 14 de láser que se
transmite a lo largo de la trayectoria 20 de haz hacia la placa 18
de media onda. Tal como se muestra en la fig. 3, el haz 14 de láser
está representado como un haz 14 polarizado de manera lineal. Más
específicamente, el haz 14 de láser tiene un vector 68 E que está
en un plano 70 que es perpendicular a la trayectoria 20 de haz. En
este contexto, debe entenderse que el vector 68 E define la
orientación de la polarización del haz 14. Haciendo aún referencia
a la fig. 3, puede observarse que cuando la placa 18 de media onda
gira, la orientación de la polarización del haz 14 también cambia.
Más en particular, cuando la placa 18 de media onda gira alrededor
del eje 22 de rotación en un ángulo "\theta", el vector 68 E
gira posteriormente en un ángulo de "2\theta". Dicho de otro
modo, cuando el haz 14 de láser pasa por la placa 18 de media onda,
la orientación de la polarización del haz 14 se modifica en
"2\theta".
Después de pasar por la placa 18 de media onda,
el haz 14 de láser entra en el divisor 24 de haz de polarización.
Tal como se muestra adicionalmente en la fig. 3, el divisor 24 de
haz de polarización refleja una parte 26 predeterminada de la
energía del haz 14 hacia el LEM 30. Además, el resto 28
predeterminado del haz 14 se transmite a lo largo de la trayectoria
20 de haz. Es importante señalar que la proporción de energía
reflejada con respecto a la energía transmitida es una proporción
conocida que depende de la orientación de la polarización del haz
14. Tal y como se ha expuesto anteriormente, la placa 18 de media
onda se usa para establecer la orientación de la polarización del
haz 14 de láser. Por lo tanto, los expertos en la materia pueden
apreciar que la placa 18 de media onda se usa para controlar la
cantidad de energía transmitida hacia el cuerpo 16 de destino en el
resto 28 del haz 14 de láser.
Haciendo una referencia cruzada por un instante
de la fig. 2 con la fig. 3, puede observarse que la parte 26
predeterminada de la energía reflejada por el divisor 24 de haz de
polarización, se dirige hacia el LEM 30. Cuando la parte 26
predeterminada de la energía se acerca al LEM 30, el circuito 48 de
sincronización láser activa el LEM 30. Específicamente, el circuito
48 de sincronización láser transmite una señal de mando al CPLD 42,
a través del puerto 46 de conexión, para iniciar el funcionamiento
del LEM 30. Una vez que el LEM 30 esté activo, el fotodiodo 32
absorbe la parte 26 predeterminada de la energía de cada pulso
ultracorto transmitido a través del filtro 33 óptico. La absorción
de la energía de pulso produce portadores de carga separados en el
fotodiodo 32, lo que provoca una corriente en la resistencia 34. A
su vez, la corriente se usa para generar un pulso de tensión que se
transmite al amplificador 36. En el amplificador 36, el pulso de
tensión se amplifica y se transmite posteriormente al integrador 38.
Tal y como se prevé mediante la presente invención, el integrador
38 integra el pulso de tensión a lo largo de un periodo de tiempo
especificado para obtener una señal 72 de salida (fig. 4). Puede
apreciarse que la señal 72 de salida es proporcional a la cantidad
de carga producida en el fotodiodo 32. A su vez, la cantidad de
carga es una medida de la parte 26 predeterminada de la energía de
cada pulso ultracorto reflejada por el divisor 24 de haz de
polarización. Por lo tanto, resulta que sabiendo la proporción de
energía reflejada con respecto a la energía transmitida por el
divisor 24 de haz de polarización, es posible cuantificar la
cantidad de energía en el resto 28 del haz 14.
Haciendo todavía referencia a la fig. 2, la
señal 72 de salida (fig. 4) del integrador 38 se transmite a través
del conversor 40 A/D, donde la señal 72 de salida se convierte de
una señal analógica a una señal digital. Además, la señal digital
se transmite a través del CPLD 42 y del puerto 44 de conexión al
comparador 60. Después de recibir la señal 72 de salida, el
comparador 60 compara la señal 72 de salida con una señal de
referencia conocida para obtener una señal 74 de error (fig. 4).
Es importante señalar que, en una realización de
la presente invención, la señal 74 de error puede usarse en el
control de la energía del haz 14 de láser. Haciendo referencia ahora
a la fig. 4, se presenta un vista esquemática de un bucle 76 de
control de la presente invención. Tal como se muestra, el comparador
60 recibe datos de entrada en la forma de un punto de ajuste (SP,
set point), que es una señal de referencia conocida. Además,
el comparador 60 recibe la señal 72 de salida del LEM 30. A partir
de estas entradas, el comparador 60 calcula una señal 74 de error
que se transmite a la placa 18 de media onda giratoria. Tal como
puede apreciarse haciendo referencia a la fig. 3, la señal 74 de
error se usa para hacer girar la placa 18 de media onda en un
ángulo "\Delta\theta". Tal y como se ha expuesto
anteriormente, la rotación de la placa 18 de media onda, con
respecto a la orientación del vector 68 E, establece una nueva
orientación de la polarización del haz 14 de láser.
Específicamente, haciendo girar adicionalmente la placa 18 de media
onda en un ángulo "\Delta\theta", el vector 68 E gira
adicionalmente en un ángulo "2\Delta\theta", tal como se
muestra en la fig. 3. Un cambio en la orientación del vector 68 E
da como resultado un nuevo resto 28 del haz 14 de láser que está
transmitiéndose hacia el cuerpo 16 de destino. Es importante señalar
que el control de la energía del haz 14 de láser puede ser un
proceso iterativo mediante el cual una señal 72 actualizada del LEM
30 se transmite periódicamente al comparador 60 para usarse en el
cálculo de una nueva señal 74 de error.
Haciendo de nuevo referencia a la fig. 1, el
resto 28 del haz 14 de láser se transmite a lo largo de la
trayectoria 20 de haz. Más específicamente, el resto 28 pasa a
través del conjunto 56 óptico, en el que el resto 28 del haz 14 de
láser se enfoca hacia un punto 57 focal en el cuerpo 16 de destino.
Después de pasar por el conjunto 56 óptico, el resto 28 del haz 14
de láser entra en el divisor 52 de haz de proporción fija. Haciendo
a continuación una referencia cruzada de la fig. 1 y la fig. 5,
puede observarse que una parte 54 fija de la energía de cada pulso
ultracorto del resto 28 se extrae por el divisor 52 de haz de
proporción fija. La energía 78 restante se transmite hacia el
cuerpo 16 de destino. Preferentemente, la parte 54 fija de la
energía representa un intervalo de un uno al cinco por ciento (1 al
5%) de la energía total del resto 28 del haz 14 de láser. Tal como
se muestra tanto en la fig. 1 como en la fig. 5, la parte 54 fija de
la energía entra en el LEM 58 de verificación, en donde se genera
una señal 80 de salida del resto (fig. 4). Siguiendo el
funcionamiento del LEM 58 de verificación, la señal 80 de salida
del resto se transmite al comparador 60 a través del cable 64
eléctrico.
En el comparador 60, la señal 80 de salida del
resto se compara con la señal de referencia conocida para generar
una señal 81 de verificación. En la realización preferida de la
presente invención, la señal 81 de verificación se transmite
directamente a la placa 18 de media onda, en lugar de la señal 74 de
error, para hacer girar la placa 18 y establecer una nueva
orientación de la polarización del haz 14 de láser. En una
realización alternativa, la señal 81 de verificación se compara con
la señal 74 de error del LEM 30. Cualquier variación entre la señal
74 de error y la señal 81 de verificación se resuelve por el
comparador 60, y la señal 81 de verificación vuelve a calcularse
según sea necesario. Posteriormente, la señal 81 de verificación se
transmite a la placa 18 de media onda para hacer girar la placa 18
y establecer una nueva orientación de la polarización del haz 14 de
láser. Tal y como se ha expuesto anteriormente, una nueva
orientación de la polarización da como resultado un nuevo resto 28
del haz 14 de láser, que es representativo de la energía de la parte
del haz 14 que incide sobre el cuerpo 16 de destino.
Aunque con el sistema y el procedimiento
particulares para medir y controlar la energía de un pulso
ultracorto de un haz de láser, como los mostrados y descritos en
detalle en este documento, pueden obtenerse y proporcionarse
totalmente los objetos y ventajas expuestos anteriormente en este
documento, debe entenderse que son meramente ilustrativos de las
realizaciones actualmente preferidas de la invención y que no
pretenden limitarse a los detalles de construcción o de diseño
mostrados en la descripción, sino a lo descrito en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (5)
1. Un sistema (10) para medir energía en un
pulso ultracorto de un haz (14) de láser, en el que el haz (14) de
láser tiene una polarización, que comprende:
un medio (12) para dirigir el haz (14) de láser
a lo largo de una trayectoria (20) de haz, donde dicho haz (14) de
láser incluye una pluralidad de pulsos ultracortos y cada pulso
tiene energía;
un medio (32) para convertir una parte (26)
predeterminada de la energía de cada pulso ultracorto del haz (14)
de láser en una corriente eléctrica, donde la corriente produce un
pulso de tensión indicativo de la energía en un único pulso de
láser;
un medio (36) para amplificar dicho pulso de
tensión;
un medio (38) para integrar el pulso de tensión
amplificado a lo largo de un periodo de tiempo especificado para
obtener una señal (72) de salida, donde la señal (72) de salida es
una medida de la energía en un pulso ultracorto del haz (14) de
láser;
un circuito (48) de sincronización láser para
iniciar el proceso de integración;
una placa (18) de media onda giratoria situada
en la trayectoria (20) de haz para establecer una orientación de la
polarización del haz (14) de láser;
un divisor (24) de haz de polarización alineado
de manera óptica con dicha placa (18) de media onda giratoria para
reflejar la parte (26) predeterminada de la energía de cada pulso
ultracorto del haz (14) de láser hacia dicho medio (32) de
conversión, y para transmitir el resto (28) del haz (14) de láser a
lo largo de la trayectoria (20) de haz;
un comparador (60) para controlar dicha placa
(18) de media onda, donde dicho comparador (60) compara la señal
(72) de salida con una señal de referencia conocida para generar una
señal (74) de error, y donde dicho comparador (60) compara la señal
(80) de salida del resto con la señal de referencia conocida para
generar una señal (81) de verificación, y donde además la señal
(81) de verificación se compara con la señal (74) de error para
compensar la señal (81) de verificación según sea necesario para
hacer girar dicha placa (18) de media onda y establecer la
orientación de la polarización del haz (14) de láser;
un dispositivo (42) lógico programable para
controlar la sincronización de la medición de la energía láser;
un medio (52) para extraer un parte (54) fija de
la energía de cada pulso ultracorto en el resto (28) del haz (14)
de láser; y
un medio (58) para medir la parte fija de la
energía.
2. Un sistema (10) según la reivindicación 1, en
el que el medio (12) de dirección es una fuente (12) láser, en el
que el medio (32) de conversión es un fotodiodo (32), en el que el
medio (36) de amplificación es un amplificador (36) y en el que el
medio (38) de integración es un integrador (38).
3. Un sistema (10) según las reivindicaciones 1
ó 2, en el que dicho medio (52) de extracción es un divisor (52) de
haz de proporción fija.
4. Un sistema (10) según la reivindicación 3, en
el que dicho medio (58) de medición es un medidor (58) de energía
láser de verificación, y en el que además dicho medidor (58) de
energía láser de verificación comprende:
un fotodiodo (32) para recibir la parte fija de
la energía de cada pulso ultracorto del resto (28) del haz (14) de
láser para generar una corriente del resto con la misma, donde la
corriente del resto produce un pulso de tensión del resto
indicativo de la energía en un único pulso de láser en el resto (28)
del haz (14) de láser;
un amplificador (36) para amplificar el pulso de
tensión del resto; y
un integrador (38) para integrar el pulso de
tensión del resto amplificado a lo largo de un periodo de tiempo
especificado para obtener una señal (80) de salida del resto, donde
la señal (80) de salida del resto es una medida de la energía en un
pulso ultracorto del resto (28) del haz (14) de láser.
5. Un procedimiento para medir energía en un
pulso ultracorto de un haz (14) de láser, en el que el haz (14) de
láser tiene una polarización, que comprende las etapas de:
dirigir un haz (14) de láser a lo largo de una
trayectoria (20) de haz, donde el haz (14) de láser incluye una
pluralidad de pulsos ultracortos y cada pulso tiene una energía;
convertir una parte predeterminada de la energía
de cada pulso ultracorto del haz (14) de láser en una corriente
eléctrica, donde la corriente produce un pulso de tensión indicativo
de la energía en un único pulso de láser;
amplificar dicho pulso de tensión;
integrar el pulso de tensión amplificado a lo
largo de un periodo de tiempo especificado para obtener una señal
(72) de salida, donde la señal (72) de salida es una medida de la
energía de un pulso ultracorto del haz (14) de láser y donde el
proceso de integración se inicia por un circuito (48) de
sincronización láser;
hacer pasar el haz (14) de láser a través de una
placa (18) de media onda giratoria situada en la trayectoria (20)
de haz, donde dicha placa (18) de media onda giratoria establece una
orientación de la polarización del haz (14) de láser; y
dividir el haz (14) de láser con un divisor (24)
de haz de polarización que está alineado de manera óptica con dicha
placa (18) de media onda para reflejar la parte (26) predeterminada
de la energía de cada pulso ultracorto hacia dicho fotodiodo (32),
y para transmitir el resto (28) del haz (14) de láser a lo largo de
la trayectoria (20) de haz;
comparar la señal (72) de salida con una señal
de referencia conocida para generar una señal (74) de error, donde
dicha señal (74) de error se usa para hacer girar dicha placa (18)
de media onda para establecer la orientación de la polarización del
haz (14) de láser para controlar la energía que se transmite en el
resto (28) del haz (14) de láser;
dividir el resto (28) del haz (14) de láser con
un divisor (52) de haz de proporción fija, donde dicho divisor (52)
de haz de proporción fija extrae una parte (54) fija de la energía
de cada pulso ultracorto en el resto (28) del haz (14) de
láser;
activar un medidor (58) de energía láser de
verificación colocado para recibir la parte (54) fija de la energía
de cada pulso ultracorto, para generar una señal (64) de salida del
resto;
comparar la señal (64) de salida del resto de
dicho medidor (58) de energía láser de verificación con una señal
de referencia conocida para generar una señal (81) de verificación;
y
aplicar la señal (81) de verificación para hacer
girar dicha placa (18) de media onda para establecer la orientación
de la polarización del haz (14) de láser para controlar la energía
que se transmite en el resto (28) del haz (14) de láser.
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