ES2581526T3 - Arquitectura de resonador láser - Google Patents

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Abstract

Un resonador (5) de láser que comprende: un acoplador (10a) de salida; un reflector (10b) de extremo; un retrorreflector (15); un telescopio (20); un medio (25) de ganancia; caracterizado porque el telescopio (20) es un telescopio común, en el que el telescopio común es un telescopio compartido por al menos dos brazos o trayectorias (50a, 50b) del resonador, estando el telescopio común provisto en trayectorias de haces (50a, 50b) entre el retrorreflector (15) y tanto el reflector (10b) de extremo como el acoplador (10a) de salida.

Description

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DESCRIPCION
Arquitectura de resonador laser
La presente invencion se refiere a una disposicion de resonador para uso en laseres. Antecedentes
Hay varios requisitos o exigencias a las que tienen que enfrentarse los disenadores de laser. Por ejemplo, a menudo se prefiere hacer que el laser compacto y reducir al mmimo el tamano y el peso del laser. Ademas, el laser debe proporcionar suficiente energfa para la aplicacion para la que se va a utilizar. A menudo se prefiere tener una calidad de haz alta. En muchas aplicaciones, la resistencia es una propiedad importante, y el laser debe ser capaz de funcionar eficazmente, mientras que es objeto de una amplia gama de trastornos a su geometna. Esto permite que el laser mantenga su rendimiento en un amplio rango del medio ambiente, por ejemplo, para que el laser sea operable de forma util en un amplio intervalo de temperaturas, flujos de calor y/o presion y/o en situaciones en las que esta expuesto a un alto grado de vibraciones o golpes. No menos importante, para que el laser sea comercialmente viable, particularmente en aplicaciones de gran volumen, el coste por unidad debe ser minimizado y la complejidad de fabricacion reducida.
Se apreciara por los expertos en la tecnica que los compromisos a menudo tienen que ser hechos al menos respecto a una de las propiedades deseadas con el fin de aumentar el rendimiento de una o mas de las otras propiedades deseadas, con los compromisos ffpicamente dependiendo de la aplicacion para la que el laser se va a utilizar. En vista de esto, es deseable desarrollar nuevas configuraciones de laser que maximizan el rendimiento del laser con respecto a las propiedades deseadas y minimizar los compromisos y/o proporcionar configuraciones alternativas que pueden ser utiles en aplicaciones espedficas.
Existen varias arquitecturas disponibles para el disenador de laser en el diseno de un laser para una aplicacion particular. Vease, por ejemplo, los documentos US 4.779.278; US 2005/0111496A1; US 3.924.201.
Uno de estas arquitecturas es la del Oscilador Fabry-Perot Esta configuracion comprende una cavidad formada entre dos espejos opuestos, uno que refleja totalmente y el otro que refleja parcialmente. Sin embargo, con este diseno, cualquier desalineacion de espejo con respecto al otro destruye la retroalimentacion. Con el fin de aumentar la estabilidad, la introduccion de un haz convergente en la cavidad se requiere a menudo. A pesar de ello, una mayor capacidad de resistencia a menudo tiene un precio de calidad del haz mas baja para un volumen resonador constante.
Otro ejemplo de una arquitectura comunmente encontrado es el Resonador de Porro Cruzado. Esta arquitectura comprende una cavidad prevista entre dos prismas de techo cruzados. Estudios tales como los de B. A. See et. al en "An Assessment of the Crossed Porro Prism Resonator" ERL-0162-TM Defence Science & Technology Organisation han encontrado que el resonador de porro cruzado es significativamente mas resistente que los sistemas basados en el oscilador de Fabry Perot. Sin embargo, en resonadores de porro cruzados, el haz de salida debe ir acompanado por division de haz y el control cuidadoso del estado de polarizacion. Esto resulta en un aumento de la complejidad del resonador con un aumento asociado en el volumen y el coste.
El resonador de cubo de espejo de esquina es un ejemplo adicional de una disposicion de resonador de laser que se encuentra comunmente. En esta disposicion, el espejo totalmente reflectante del resonador Fabry Perot se sustituye por un cubo de esquina en el eje. El angulo de reflexion del reflector esferico es insensible a la alineacion, por lo tanto, este diseno es resistente y sencillo. Sin embargo, con esta disposicion, es diffcil formar haces Gaussianos limpios y, por tanto, el aumento de la resistencia y la simplicidad tiene un coste de reduccion de la calidad del haz. Ademas, esta arquitectura resulta en polarizacion espacialmente variable, lo que hace que el laser sobre la base de esta arquitectura sea diffcil de conmutacion de Q electro opticamente.
Es al menos un objeto de al menos una realizacion de la presente invencion proporcionar una arquitectura de laser mejorada. Es al menos un objeto de al menos una forma de realizacion de la presente invencion eliminar o mitigar al menos un problema con la tecnica anterior.
Exposicion de la invencion
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invencion es un resonador de laser que comprende:
al menos un acoplador de salida; al menos un reflector de extremo; un retrorreflector; un telescopio comun; un medio de ganancia;
en el que el telescopio comun se proporciona en una trayectoria de los haces entre el retrorreflector y tanto el espejo de extremo y el acoplador de salida.
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El reflector de extremo puede comprender un espejo de extremo, o un prisma Porro o similares.
El resonador puede estar configurado de tal manera que un haz o la radiacion reflejada desde el acoplador de salida pasa a traves del telescopio antes de ser reflejada por el retrorreflector al reflector de extremo a traves del telescopio. Se apreciara de lo anterior que, puesto que la trayectoria del haz es reversible, un haz o la radiacion reflejada por el reflector de extremo puede pasar a traves del telescopio antes de ser reflejada por el retrorreflector al acoplador de salida a traves del telescopio.
El resonador puede comprender un resonador estable. El resonador puede ser configurado para soportar y/o crear uno o mas modos resonantes, que pueden ser modos resonantes estables.
El resonador puede estar configurado de tal manera que el retrorreflector recibe el haz o la radiacion desde el reflector de extremo y/o el acoplador de salida a traves del telescopio y refleja el haz o la radiacion al otro del acoplador de salida y/o reflector de extremo a traves del telescopio.
El telescopio puede ser compartido por un numero par de brazos o las trayectorias de los haces del resonador por viaje de ida y vuelta.
Sena francamente evidente para una persona experta en la materia como alinear componentes opticos tales como espejos, telescopios y retrorreflectores de manera de tener el recorrido del haz a lo largo de una trayectoria deseada. Sin embargo, la geometna exacta para hacerlo dependera de una variedad de factores tales como las dimensiones de la cavidad. Por lo tanto, la recitacion o limitacion de los parametros geometricos espedficos, tales como angulos o distancias no es la adecuada.
El resonador puede estar configurado de tal manera que, en cada viaje entre el acoplador de salida y el reflector de extremo, el haz o la radiacion pasa a traves del telescopio dos veces. El resonador puede estar configurado de tal manera que, en cada viaje entre el acoplador de salida y el espejo de extremo, el haz o la radiacion pasa a traves del telescopio tanto en una primera direccion o de avance y una direccion segunda o inversa.
La primera direccion o de avance puede ser una direccion de expansion en la que el haz se expande por el telescopio, por ejemplo, el radio o el arco del haz del haz se incrementa. La direccion segunda o inversa puede ser una direccion de reduccion en la que el haz es contrafdo o encogido por el telescopio, por ejemplo, el radio o el arco del haz se reduce.
El medio de ganancia puede ser proporcionado en la trayectoria del haz entre el retrorreflector y el telescopio.
De esta manera, la radiacion emitida desde el medio de ganancia puede resonar u oscilar dentro de una cavidad de tal manera que la radiacion se desplaza a traves de un primer brazo o la trayectoria entre el acoplador de salida y el retrorreflector a traves del telescopio y un segundo brazo o la trayectoria entre el reflector retro y el reflector de extremo a traves del telescopio. El medio de ganancia puede ser proporcionado en el primer o segundo brazo o la trayectoria de tal manera que la radiacion pasa a traves del medio de ganancia.
El telescopio se puede configurar para expandir el haz que pasa por el medio de ganancia, por ejemplo, aumentando el tamano del modo fundamental, y por lo tanto puede mejorar la calidad del haz. Un telescopio comun es un telescopio compartido por al menos dos brazos o trayectorias del resonador. Al proporcionar un unico telescopio comun tanto en el primer y segundo brazos o trayectorias, de manera que para cada viaje largo de los brazos primero y segundo del resonador el haz pasa a traves del telescopio en direcciones opuestas de tal manera que el haz expandido pasa a traves del medio de ganancia, la calidad del haz se mejora aun mas en un solo telescopio de igual potencia en un brazo.
Al proporcionar un telescopio comun tanto en el primer y segundo brazos o trayectorias, tal que por cada viaje por los brazos primero y segundo del resonador el haz pasa a traves del telescopio en direcciones opuestas, cualquier efecto sobre el haz debido a desajustes geometricos en o de telescopio en su conjunto, o cualquiera de sus componentes pueden ser cancelados a lo largo del viaje de ida y vuelta dado que el efecto inverso se aplica al haz cuando pasa a traves del telescopio en la direccion opuesta.
El acoplador de salida puede ser parcialmente reflectante. El reflector de extremo puede ser reflectante. El acoplador de salida y el espejo de extremo pueden estar integrados, por ejemplo, al ser proporcionados sobre un sustrato comun. Por ejemplo, una porcion de una superficie del sustrato frente al retrorreflector puede estar recubierta con un revestimiento parcialmente reflectante con el fin de formar el acoplador de salida y una porcion de la superficie del sustrato frente a la retrorreflector puede estar recubierta con un revestimiento reflectante con el fin para formar el espejo de extremo. Al proporcionar un sustrato comun para el espejo de extremo y el acoplador de salida, asf como un telescopio comun tanto en el primer y segundo brazos o trayectorias, cualquier efecto sobre el haz debido a desalineaciones geometricas en o de la orientacion del sustrato comun de espejo puede ser cancelado a lo largo de la ida y vuelta cuando el efecto inverso se aplica al haz cuando pasa a traves del telescopio en la direccion opuesta y se refleja en la superficie de espejo adyacente.
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El telescopio comun puede estar montado proximo o adyacente al reflector de extremo/acoplador de salida. El telescopio comun puede comprender al menos uno y preferiblemente al menos dos elementos opticos, que pueden comprender, por ejemplo, al menos primero y segundo elementos opticos. Los elementos opticos pueden ser o comprender lentes. El primer y segundo elementos opticos pueden estar separados unos de otros. El primer elemento optico (por ejemplo, una lente ocular) se puede proporcionar mas cerca del espejo de extremo y/o acoplador de salida y mas lejos del retrorreflector que el segundo elemento optico (por ejemplo, un lente de objetivo), que puede proporcionarse mas cerca del retrorreflector y mas lejos del acoplador de salida y/o el espejo de extremo que del primer elemento optico. El telescopio comun puede estar configurado de tal manera que la radiacion reflejada por el retrorreflector pasa a traves del segundo elemento optico del telescopio antes que el primer elemento optico, mientras que la radiacion reflejada por el espejo de extremo o acoplador de salida pasa a traves del primer elemento optico del telescopio antes del segundo elemento optico.
La geometna del resonador-telescopio puede ser optimizada para una sensibilidad baja de la lmea de vision de focalizacion del telescopio, por ejemplo, que comprende al menos uno de baja potencia, largo alcance, pequenos radios fuera de eje, y/o similares.
El primer o segundo elementos opticos pueden estar montados sobre un eje, preferentemente el eje puede extenderse a lo largo de los ejes opticos de los primer y segundo elementos opticos, es decir, pueden ser montados en el eje. El resonador de laser puede ser operable de tal manera que los ejes opticos del telescopio no se utilizan, es decir, puede estar configurado de tal manera que el haz y/o la radiacion no pasa por los ejes opticos de los elementos opticos, que puede permitir que el primer y segundo elementos opticos del telescopio sean montados en el eje, que puede proporcionar de manera ventajosa un montaje simple y naturalmente equilibrado, y que facilita el ajuste de separacion para control de enfoque.
Los primeros o segundos elementos opticos pueden ser montados dentro de un tubo coaxial o cubierta al eje optico del primer y segundo elementos. Esto puede permitir que el resonador utilice trayectorias de haces cerca de uno o ambos elementos opticos de eje optico, que pueden reducir ventajosamente la sensibilidad del resonador para la estabilidad del foco.
El resonador puede utilizar una combinacion de procedimientos de montaje descritos anteriormente, que pueden ser de utilidad para los telescopios de alta potencia donde montar un husillo es apropiado para el segundo elemento optico debido al gran desplazamiento del haz del eje optico del telescopio, y una cubierta de montaje para el elemento primario en la que el haz esta cerca del eje optico del telescopio. El husillo y la cubierta puede ser el mismo componente, con orificios para permitir que el haz pase desde el primer elemento al segundo elemento.
Ademas, las disposiciones anteriores pueden resultar en que el primer y segundo elementos opticos se utilicen solo en un plano, lo que puede permitir que el primer y/o segundo elementos opticos sean recortados, por ejemplo, en formas rectangulares, con el fin de reducir el peso y el volumen del sistema.
El telescopio puede comprender medios de ajuste de enfoque. El telescopio puede comprender medios de ajuste de separacion para variar selectivamente la separacion de los primeros y segundos elementos opticos. Por ejemplo, medios de ajuste de separacion pueden comprender un ajustador de husillo para variar la longitud del husillo y/o mover una porcion del husillo en la que el primer elemento optico esta montado con relacion a una porcion del husillo en la que esta montado el segundo elemento optico. Los medios de ajuste de separacion pueden comprender un bloqueo o mordaza para fijar selectivamente o de forma liberable la separacion de los primeros y segundos elementos opticos. De esta manera, el foco del telescopio puede variarse/variable, por ejemplo, durante la alineacion inicial.
El telescopio puede ser configurado para ser desenfocado. El telescopio puede estar configurado para introducir la convergencia en la cavidad, lo que puede mejorar la estabilidad del laser. El telescopio puede estar configurado para introducir ya sea divergencia o convergencia local dentro de la cavidad, lo que puede compensar una lente termica dentro del medio de ganancia.
El foco del telescopio puede ser atermalizado activa o pasivamente. Muchos procedimientos adecuados para hacer esto estan disponibles para los expertos en la materia. Por ejemplo, la velocidad de cambio del mdice de refraccion con la temperatura del primer y segundo elementos puede ser seleccionada para proporcionar una compensacion para el cambio de foco del telescopio en su conjunto. Alternativa o adicionalmente, los componentes mecanicos del telescopio, como el husillo, pueden exhibir una baja expansion termica, o una expansion termica que compensa el cambio en el enfoque de los elementos opticos. Cuando no existe tal material, un elemento optico puede estar montado en un montaje reentrante de mayor dilatacion termica que el material entre el primer y el segundo elemento. Un ejemplo de un montaje reentrante se describe en "Introduction to opto-mechanical design" de Daniel Vukobratovich, National Optical Astronomy Observatories, 950 Cherry Ave Tucson AZ 85726-6732, que se incorpora aqrn por referencia, en el que el montaje reentrante se describe como un "compensador bimetalico", aunque se apreciara que el montaje reentrante no necesita ser metalico. La seleccion cuidadosa de la longitud del montaje reentrante se puede usar para lograr una tasa de expansion termica eficaz entre los dos elementos opticos que logra la atermalizacion del enfoque. Al elegir un pequeno diferencial de expansion termica entre la montura de reentrante y el material de conexion, la solucion atermalizada puede hacerse insensible al ajuste de la separacion.
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Alternativamente a las soluciones pasivas resumidas anteriormente, uno u otro elemento optico puede estar situado en una etapa de actuador accionado para proporcionar una atermalizacion activa.
El telescopio puede exhibir aberraciones bajas fuera del eje. Esto puede ser beneficioso para optimizar la capacidad de recuperacion de los resonadores con respecto al descentrado del eje de simetna del retrorreflector y el eje optico del telescopio comun. Muchos procedimientos son conocidos en la tecnica, por ejemplo, el uso de lentes asfericas.
Alternativamente, el telescopio puede explotar las aberraciones fuera del eje para lograr la estabilidad de ida y vuelta, sin embargo, tales aberraciones no estan necesariamente en equilibrio sobre una sola pasada. Esto puede permitir utilizar opticas esfericas relativamente de bajo coste. Ademas, esto se extiende la longitud efectiva del viaje de ida y vuelta del telescopio, lo que puede reducir la sensibilidad para enfocar. Como se conoce en la tecnica, un retrorreflector refleja el haz o la radiacion de nuevo en el mismo angulo, pero en direccion opuesta a la del haz incidente o la radiacion en una gama de angulos de incidencia, es decir, la radiacion se refleja de nuevo a lo largo de una direccion de desplazamiento que es paralela pero opuesta a la de la radiacion incidente. En un ejemplo particular, el retrorreflector puede comprender un retrorreflector de cubo de esquina. El retrorreflector puede estar dispuesto para estar fuera del eje, es decir, los haces no se reciben o se reflejan a lo largo del eje de simetna del retrorreflector. El eje de simetna del retrorreflector puede ser colineal con el eje optico del telescopio comun. Esto puede ser beneficioso para optimizar la capacidad de resistencia de los resonadores con respecto la aberracion optica fuera del eje del telescopio comun.
El resonador puede ser operado u operable como un laser de onda continua. El resonador puede ser operado u operable como un laser de modo bloqueado.
En un ejemplo espedfico, el resonador puede comprender una conmutacion de Q. Esto puede ser ventajoso, ya que ambos espejos de extremo son reflejados a un plano adicional por el telescopio. Esto reduce el angulo solido disponible para reflexiones durante el penodo de la bomba de alta Q, reduciendo asf las perdidas de ASE y aumentando la potencia del haz.
El resonador de laser puede comprender una fuente de radiacion, que puede estar configurada para bombear el medio de ganancia, y preferiblemente bombear por ultimo del medio de ganancia, por ejemplo, a traves de un divisor de haz polarizador. El divisor de haz polarizado puede ser usado en conjuncion con una celula Pockels para permitir la operacion como un conmutador de Q en una realizacion ejemplar de un resonador laser de Q conmutado.
El resonador puede comprender o incorporar un elemento de ajuste de alineacion. Cuando es desenfocado, el angulo de resonancia entre los dos brazos ya no es paralelo. Al proporcionar o incorporar un elemento de ajuste de alineacion dentro del resonador, se puede obtener el angulo correcto para la resonancia, lo que permite la operacion a un desenfoque fijo del telescopio.
El elemento de ajuste de la alineacion puede ser fijo, tal como una cuna optica. Una cuna fija puede ser realizada como un componente discreto, o un ajuste deliberado de una ya existente, como el retrorreflector o varilla.
El elemento de ajuste de alineacion puede comprender un mecanismo de ajuste de alineacion, tal como un conjunto emparejado de cunas giratorias. El mecanismo de ajuste de la alineacion puede ser proporcionado en un brazo o la trayectoria del resonador, que puede ser un brazo y/o trayectoria diferente al medio de ganancia, aunque se apreciara que tanto el medio de ganancia y el mecanismo de ajuste de la alineacion se podnan proporcionar en el mismo brazo o la trayectoria si es necesario. El mecanismo de ajuste de alineacion puede ser operable, por ejemplo, mediante la rotacion relativa de las cunas emparejadas, para proporcionar el ajuste de la alineacion del resonador, por ejemplo, con el fin de compensar el ajuste del enfoque en el telescopio y/o cualquier cuna residual en los componentes debido a tolerancias de fabricacion.
La disposicion descrita anteriormente proporciona un diseno simple que es inherentemente resistente a la desalineacion tanto del retrorreflector, el sustrato reflector de extremo y el telescopio, pero puede retener un haz Guassian y alta calidad del haz.
El resonador de laser puede ser configurado de manera que tenga reflexiones/espejos no conjugados en fase. El resonador de laser puede ser configurado para no tener espejos intermedios de cualquier tipo entre las pasadas del medio de ganancia y el al menos un acoplador de salida y/o al menos un reflector de extremo.
El resonador laser y/o telescopio pueden tener una magnificacion mayor que la unidad. El telescopio puede tener una baja apertura numerica. El resonador de laser puede estar configurado de tal manera que el haz de luz hace una sola pasada del medio de ganancia antes de salir del resonador.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invencion es un laser que comprende el resonador laser de acuerdo con el primer aspecto.
De acuerdo con un tercer aspecto es un aparato que comprende un laser de acuerdo con el segundo aspecto.
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De acuerdo con un cuarto aspecto de la presente invencion es un procedimiento de operacion de un resonador laser del primer aspecto y/o un laser del segundo aspecto y/o un aparato de acuerdo con el tercer aspecto.
Se apreciara que caractensticas analogas a las descritas en relacion con cualquiera de los aspectos anteriores pueden ser aplicables a cualquiera de los otros aspectos.
Caractensticas del procedimiento correspondientes al uso de cualquier caractenstica descrita anteriormente en relacion con aparatos y/o caractensticas del aparato configurados para implementar funciones descritas anteriormente en relacion con un procedimiento tambien se contemplan como dentro del alcance de la presente invencion.
Breve descripcion de los dibujos
La invencion se describira en este documento con respecto a los siguientes dibujos:
La figura 1 muestra un esquema simplificado de un resonador de laser;
La figura 2 muestra un esquema detallado ejemplar del resonador laser que se muestra en la figura 1;
La figura 3 muestra un ejemplo de un telescopio usando un reentrante de montaje;
La figura 4 muestra el efecto de desalineacion del acoplador de salida/espejo de extremo en un resonador de comparacion;
La figura 5 muestra el efecto de desalineacion del acoplador de salida/espejo de extremo en el resonador de laser de las figuras 1 o 2;
La figura 6 muestra el efecto de descentramiento de uno de los lentes 55a, 55b del telescopio en un resonador de comparacion; y
La figura 7 muestra el efecto de descentramiento de uno de los lentes 55a, 55b del telescopio en el resonador de laser de las figuras 1 o 2.
Descripcion detallada de los dibujos
La figura 1 es un esquema simplificado que muestra los componentes basicos de un resonador 5 para un laser. Un diagrama esquematico mas detallado de un posible resonador de conmutacion Q 5 se muestra en la figura 2. El resonador 5 comprende un acoplador de salida 10a/espejo de extremo 10b integrados dispuesto de forma opuesta un retrorreflector 15. Un telescopio 20 esta provisto proximo al acoplador de salida 10a/espejo de extremo 10b integrado y un medio de ganancia 25 se proporciona en una trayectoria del haz expandido entre el acoplador de salida 10a y el retrorreflector 15 entre el retrorreflector 15 y el telescopio 20.
En esta realizacion, el acoplador de salida 10a/espejo de extremo 10b integrados funcionan tanto como un espejo de extremo 10a y un acoplador de salida 10b. En particular, el acoplador de salida 10a/espejo de extremo 10b integrado comprenden un sustrato comun 30, en el que una parte de una superficie interna 35 del sustrato 30 que se enfrenta al retrorreflector 15 esta recubierta con un revestimiento parcialmente reflectante que funciona como acoplador de salida 10a y otra parte de la superficie interna 35 del sustrato comun 30 esta recubierta con una superficie reflectante que actua como el espejo de extremo 10b.
El retrorreflector 15 comprende un retrorreflector de cubo de esquina fuera del eje configurado para reflejar un haz incidente de tal manera que el haz reflejado es paralelo al haz incidente, pero de sentido opuesto. Puesto que el cubo de esquina 15 es fuera del eje, se coloca de tal manera que recibe el haz y refleja el haz a lo largo de los vectores que no son coincidentes con un eje de simetna 40 del cubo de esquina 15. El eje de simetna del cubo de esquina es colineal con el eje optico del telescopio comun.
En una forma de realizacion opcional, tal como la mostrada en la figura 2, el cubo de esquina 15 esta provisto de una cuna fija adicional 45, en este ejemplo provisto integralmente con o ingeniena en el cubo de esquina 15. Esta disposicion permite ventajosamente que el telescopio 20 a proposito sea desenfocado en una cantidad fija, por ejemplo, para mejorar la estabilidad de laser. Esto reduce las posibilidades de ajuste para la alineacion de resonador y asf facilita una mayor finura en el ajuste de la alineacion. El desenfoque fijo del telescopio 20 se compensa por la cuna fija 45 incorporada en el cubo de esquina 15.
El cubo de esquina 15 esta configurado para tener un desplazamiento de fase cero, por ejemplo, proporcionando el cubo con un revestimiento adecuado (no mostrado), como es conocido en la tecnica, que conserva ventajosamente el estado de polarizacion del resonador 5.
De esta manera, el resonador 5 forma una cavidad plegada en el que un haz de luz puede oscilar entre el espejo de extremo revestido reflexivo 10b y el acoplador de salida parcialmente reflectante 10a a traves del retrorreflector 15.
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La cavidad plegada comprende ventajosamente un numero par de brazos o trayectorias. En este caso particular, la cavidad puede ser considerada como que comprende dos brazos o trayectorias 50a, 50b a traves de los cuales el haz oscilante viaja, estando un primer brazo o la trayectoria 50a entre el acoplador de salida parcialmente reflectante 10a y el retrorreflector 15 y estando la segunda pata o trayectoria entre el retrorreflector 15 y el espejo de extremo reflectante 10b.
El telescopio 20 se proporciona en la trayectoria del haz entre el medio de ganancia 25 y el acoplador de salida 10a y tambien en la trayectoria del haz entre el retrorreflector 15 y el espejo de extremo 10b. En este ejemplo, el telescopio 20 comprende un par de elementos opticos 55a, 55b, en este caso en forma de un par de lentes separados espacialmente (equivalentes a un lente ocular y un lente de objetivo). El telescopio 20 esta dispuesto a lo largo de las trayectorias de los haces del resonador 5, es decir, de tal manera que los dos elementos opticos 55a, 55b estan separados espacialmente en una direccion paralela con la separacion del acoplador de salida integrado 10a/espejo de extremo 10b y el retrorreflector 15, por ejemplo, de tal manera que el eje optico del telescopio 20 y al menos el eje de simetna 40 del retrorreflector 15 coinciden sustancialmente. En las realizaciones mostradas en las figuras 1 y 2, el telescopio 20 esta configurado para expandir el haz (es decir, aumentar la anchura o cintura del haz) a medida que pasa a traves del telescopio 20 en una direccion de izquierda a derecha a traves del primer elemento optico antes del segundo elemento optico (es decir, lejos del acoplador de salida 10a o el espejo de extremo 10b y hacia el medio de ganancia 25 y el retrorreflector 15) y para reducir el tamano del haz (es decir, reducir el ancho de haz) a su paso en una direccion de derecha a izquierda a traves del segundo elemento optico antes del primer elemento optico (es decir, en una direccion lejos de la ganancia media 25 y el retrorreflector 15 hacia el espejo de extremo 10b o el acoplador de salida 10a).
El telescopio 20 esta configurado para actuar como un telescopio comun de tal manera que tanto las primera y segunda trayectorias o brazos 50a, 50b pasan a traves del telescopio 20, es decir, durante cada travesfa por el haz de la cavidad del resonador 5 entre el acoplador de salida 10a y el espejo de extremo 10b, el haz pasa a traves del telescopio 20 dos veces, uno de los pasajes a traves del telescopio 20 estando en una direccion primera o de avance, es decir, que pasa a traves del primer elemento optico 55a (por ejemplo, el ocular) antes del segundo elemento optico 55b (por ejemplo el lente objetivo) y el otro de los pasajes a traves del telescopio 20 que pasa en un direccion segunda o inversa, es decir que pasa por el segundo elemento optico 55b antes del primer elemento optico 55a. De esta manera, durante cada travesfa por el haz de la cavidad del resonador 5, el haz pasa a traves del telescopio 20 dos veces con el fin de ser a la vez expandido y encogido.
En particular, el telescopio 20 esta configurado para expandir el haz siempre antes de que pase a traves del medio de ganancia 25 y reducirlo antes de ser reflejado por el espejo de extremo 10b o el acoplador de salida 10a. Es importante destacar que, el telescopio 20 expande el tamano del modo fundamental a traves del medio de ganancia 25, disminuyendo de ese modo el efecto de otros modos. Esto lleva a una calidad de haz muy mejorada.
Los elementos opticos 55a, 55b del telescopio 20 estan montados sobre un husillo 60 de modo que sea movible selectivamente juntos y separados usando un mecanismo de ajuste del enfoque 65 y un bloqueo selectivo o mecanismo de sujecion (no mostrado). Varios medios para implementar este mecanismo de ajuste del enfoque 65 senan evidentes para un experto en la materia. En la presente realizacion, el haz no pasa a lo largo del eje optico del telescopio 20 a cada brazo 50a, 50b. Por lo tanto, el husillo 60 se puede extender a lo largo de los ejes opticos del primer y segundo elementos opticos 55a, 55b de tal manera que estan montados en el eje. Los montajes sobre el eje son simples y naturalmente equilibrados, por lo que es mas facil lograr bajas cargas de vibracion y facilitar la incorporacion del mecanismo de ajuste del enfoque.
Ademas, como los elementos opticos 55a, 55b solo se utilizan en un plano en la presente invencion, la periferia de al menos uno y preferiblemente cada elemento optico 55a, 55b puede ser recortado de tal manera que su forma se asemeja mas a una seccion transversal rectangular, con lo la eliminacion de la masa sobrante y el volumen del resonador 5.
Ventajosamente, el telescopio 20 es atermalizado con el fin de minimizar los efectos adversos debidos a la estabilidad del foco del telescopio 20. Diversas tecnicas adecuadas para la atermalizacion optica podnan utilizarse para este proposito. Por ejemplo, el primer elemento optico 55a del telescopio 20 puede tener una tasa de cambio de mdice de refraccion con la temperatura que es positiva (es decir, un +ve dn/dT) y el segundo elemento optico 55b del telescopio 20 puede tener una tasa de cambio de mdice de refraccion con la temperatura que es negativo. (es decir, un -ve dn/dT). Preferiblemente, la magnitud de la tasa de cambio de mdice de refraccion con la temperatura de cada elemento optico 55a, 55b se selecciona de tal manera que el cambio neto en las propiedades opticas del telescopio 20 en su conjunto con la temperatura se reduce al mmimo o cero, al menos en el rango de operacion del resonador 5.
Un ejemplo alternativo o adicional de una tecnica de atermalizacion es montar o bien el elemento optico 55a o 55b en un montaje reentrante o husillo 60a, de materiales y geometna elegidos de modo que la expansion termica efectiva de la separacion es ya sea suficientemente baja como para no afectar el enfoque, o elegida para cancelar explfcitamente la deriva termica del comportamiento optico de las lentes. Un ejemplo de un montaje reentrante se describe en "Introduction to optomechanical design" de Daniel Vukobratovich, National Optical Astronomy Observatories, 950 Cherry Ave Tucson AZ 85726-6732 en el que el montaje reentrante se describe como un
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"compensador bimetalico", aunque se apreciara que el montaje reentrante no necesita ser metalico. En general, un montaje reentrante 60a tiene el segundo elemento optico 55b conectado al primer elemento optico 55a por medio de un arbol de compensacion plegado 66, como se muestra en la figura 3. Puede verse de esto que el primer elemento optico 55a esta montado en un elemento de montaje 67 que tiene un bajo coeficiente de expansion termica. El elemento de montaje 67 tambien comprende medios de ajuste de enfoque 65a para variar la separacion del primer y segundo elementos opticos 55a, 55b. El elemento de montaje 67 se extiende desde el primer elemento optico 55a a traves del segundo elemento optico 55b en el que esta montado en otro lado del segundo elemento optico 55b a traves de un elemento de conexion 68 cuyo coeficiente de expansion termica es alto con relacion al del elemento de montaje 67. La distancia entre los dos elementos opticos 55a, 55b equivalente a la expansion termica puede ser elegida de forma muy precisa para dos valores arbitrarios de coeficiente de material de expansion termica mediante la variacion de la longitud del elemento de conexion 68.
Se apreciara que otras tecnicas atermalizacion senan evidentes para un experto en la tecnica, que se puede aplicar, ademas o como alternativa a las tecnicas descritas anteriormente. Opcionalmente, la longitud del telescopio 20 se puede incrementar y/o el aumento del telescopio 20 disminuirse y/o la separacion nominal de los dos brazos se reducirse con el fin de hacer que el requisito de atermalizacion sea menos exigente.
El medio de ganancia 25 se proporciona en la forma de una varilla que se extiende a lo largo de la trayectoria del haz en una pata o la trayectoria 50a del resonador, por ejemplo, en la trayectoria del haz 50a entre el acoplador de salida 10a y el retrorreflector 15 entre el retrorreflector 15 y el telescopio 20. En los ejemplos espedficos mostrados en las figuras 1 y 2, el medio de ganancia 25 se proporciona en la primera pata 50a, aunque la invencion no se limita a los mismos. El medio de ganancia 25 puede comprender cualquier material de amplificacion de laser adecuado conocido en la tecnica.
Como se muestra en detalle en la figura 2, el medio de ganancia 25 se proporciona en un extremo bombeado de configuracion, en el que se bombea a traves de un extremo de la varilla del medio de ganancia 25. Sin embargo, se apreciara que la varilla del medio de ganancia 25 puede igualmente ser bombeada a traves del otro extremo o, de hecho, bombeada a traves de ambos extremos. Alternativamente, la varilla del medio de ganancia 25 se bombea opcionalmente de lado. En la realizacion mostrada en la figura 2, la varilla del medio de ganancia 25 es bombeada en extremo mediante el uso de un divisor de haz polarizador 70, que permite que la radiacion de bombeo sea proporcionada a partir de una fuente de bombeo 75 hasta el final del medio de ganancia 25 aun asf permitiendo que el haz oscile y resuene en el resonador 5. Ventajosamente, el divisor de haz polarizador 70 esta configurado opcionalmente para permitir la operacion de conmutacion q del resonador. Ademas, la combinacion de todos los componentes calientes, tales como la bomba 75 y/o el medio de ganancia 25 en el mismo modulo puede permitir una gestion termica mas facil del resonador 5.
En la realizacion mostrada en la figura 2, se proporciona tambien un conmutador electrooptico de q 80 separado, en este caso en la segunda pata 50b del resonador 5. Ventajosamente, el conmutador de q 80 esta configurado para tener un desplazamiento de fase nominal A/4 y produce un cambio adicional de fase A/4 cuando se activa. De esta manera, se requiere una tension de excitacion inferior para activar el conmutador de q 80.
Medios de ajuste del resonador, por ejemplo, en la forma de un par de cunas de rotacion 85a, 85b, se proporcionan en la trayectoria del haz, en este caso en la segunda pata 50b entre el telescopio 20 y el retrorreflector 15 en la trayectoria del haz entre el espejo de extremo 10b y el retrorreflector 15. Al menos una de las cunas 85a, 85b esta configurada para ser giratoria con respecto a la otra cuna 85a, 85b. De esta manera, la alineacion del resonador puede ser ajustada, por ejemplo, para compensar el ajuste de foco residual en el telescopio 20 y/o por cualquier cuna residual en los componentes debido a tolerancias de fabricacion.
La disposicion anterior se traduce en un resonador altamente resistente.
Si el telescopio 20 se proporciona solo en un brazo 50a o 50b del resonador 5 y el sustrato de espejo 30 se mueve con respecto al telescopio 20, a continuacion, esto producina un desplazamiento del orificio de vision al haz, lo que podna desestabilizar el resonador 5. Sin embargo, en las configuraciones del telescopio comun de la figura 1 y la figura 2, el retrorreflector 15 refleja el haz en el mismo angulo que el haz incidente y el desplazamiento dela lmea de vision inducida cuando el haz viaja a traves del telescopio 20 en la direccion hacia adelante o primera se invierte exactamente cuando el haz viaja de vuelta a traves del telescopio 20 en la direccion segunda o inversa.
En otro ejemplo, en un aparato que tiene un telescopio solo en una pata del resonador, si uno de los lentes de telescopio 55a, 55b se mueve con relacion al otro, es decir, un elemento optico 55a, 55b del telescopio 20 esta descentrado, el resultado sena ser la creacion de un cambio de orientacion de referencia en el haz. Sin embargo, de manera similar a lo anterior, ya que el retrorreflector 15 refleja el haz reflejado en el mismo angulo que el haz incidente, el desplazamiento de la lmea de vision se invierte exactamente cuando el haz pasa de nuevo a traves del telescopio 20 en la direccion inversa.
Se apreciara que se producira un efecto de autocorreccion similar cuando la guinada de uno de los elementos optico 55a, 55b del telescopio 20 vana con respecto al otro.
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La simplicidad del diseno del telescopio comun permite una reduccion en la complejidad de los procedimientos de fabricacion y asegura que ambas patas 55a, 55b se correspondan opticamente. Cualquier penalidad de peso debido a las opticas adicionales es limitada como el diseno de la cavidad plegada es inherentemente compacto. Ademas, puesto que la calidad del haz es buena como un resultado de la disposicion de telescopio 20, el resonador 5 puede hacerse mas corto, con el fin de reducir el peso y el volumen a expensas de la calidad del haz. Ademas, dado que la presente disposicion tiene una buena resistencia a la desalineacion, a continuacion, la presente invencion puede emplear telescopios mas compactos, de nuevo ahorrando peso.
Se investigo la capacidad de recuperacion de la geometna anterior. A los efectos de comparacion un sistema comparativo que comprende un telescopio solo en un brazo del resonador se comparo con una configuracion de telescopio comun correspondiente en el que el telescopio 20 actua sobre ambos brazos 50a, 50b.
Para esta comparacion espedfica, si el acoplador de salida 10a/espejo final 10b esta desalineado (girado con respecto al eje optico del telescopio), entonces se puede ver que, para el sistema comparativo, solo se requiere una desalineacion de 0,000116 grados (2,0 prad) con el fin de disminuir la energfa de salida en un 1 %, como se muestra en la figura 4. En contraste, para la disposicion de telescopio comun, se necesita una desalineacion de 0,4 grados (7000 prad) antes de que la salida de energfa caiga en un 1 %, como se muestra en la figura 5.
Para un descentramiento de uno de los lentes 55a, 55b del telescopio 20, entonces la cafda en la potencia de salida del resonador 5 en los casos del sistema comparativo y la configuracion telescopio comun para esta comparacion espedfica se muestran en las figuras 6 y 7, respectivamente. De esto, se puede ver que, para el sistema comparativo, un descentramiento de solo 0,072 micrones resultado en una cafda del 1 % en la energfa, mientras que la configuracion de telescopio comun puede ser descentrada en 25 micrones antes de que la energfa se reduzca en un 1 %.
Por lo tanto, el resonador anterior 5 de la presente invencion que comprende un retrorreflector 15 en conjuncion con un telescopio comun 20 que se extiende por dos patas de la trayectoria del haz de un diseno de la cavidad plegada puede resultar en un resonador 5 mucho mas robusto.
La mejora en la calidad del haz lograda por el resonador 5 anterior tambien se investigo el uso de modelos teoricos. En este caso, un resonador comparativo en la forma de un resonador clasico de 200 mm de largo que comprende un telescopio que tiene 2,5 aumentos y siendo de 40 mm de largo fue modelado con fines comparativos. El resonador comparativo fue desplegado y tema 2 espejos planos paralelos opuestos.
La configuracion del telescopio comun fue el modelo utilizando un espejo inmediatamente adyacente a un telescopio de expansion, separado de un telescopio que reduce a 200-40-40 = 120 mm, inmediatamente seguido por el segundo espejo plano.
Ambos modelos de telescopios comun y comparativo fueron ligeramente desenfocados para proporcionar un margen de estabilidad realista. La cantidad de desenfoque se fijo para cada resonador tal que el margen de estabilidad fue de 0,99 (siendo 1 el lfmite). Se encontro que la cantidad de desenfoque para cada modelo de forma iterativa antes de llevar a cabo el analisis.
Para el modelo de comparacion y el modelo representativo de la disposicion de telescopio comun, usando el mismo alcance de ampliacion y funcionando en el mismo punto de estabilidad, se encontro que el radio del modo fundamental en la cintura del haz es 10,84 % mayor para la disposicion de telescopio comun que para el modelo de comparacion. Esto se traduce en una mejora del 22,8 % en la zona y por lo tanto la energfa mantenida del modo fundamental.
En general, la configuracion de resonador descrita anteriormente puede proporcionar al menos una y, en general cada una de las siguientes ventajas:
i) Dado que el telescopio 20 se utiliza dos veces por cruce por el haz de la cavidad del resonador 5 de la presente invencion, la mejora en la calidad del haz se incrementa en el caso en el que se proporciona el telescopio 20 solo en un brazo o pata 55a, 55b del resonador 5.
ii) El diseno de la presente invencion es inherentemente resistente a la desalineacion del sustrato reflector de extremo, la desalineacion del retrorreflector 15, el descentrado del retrorreflector 15, la desalineacion del telescopio 20, el descentrado del telescopio 20, el descentrado de uno de los elementos opticos 55a, 55b del telescopio 20, y la guinada de uno de los elementos opticos 55a, 55b del telescopio 20.
iii) La alta resistencia del resonador 5 de la presente invencion permite utilizar potencias de telescopio mas altas para lograr un aumento de la calidad del haz para un volumen dado.
iv) El resonador anterior 5 de la presente invencion proporciona al disenador el angulo de deriva para operar en la calidad del haz superior resultante del telescopio 20 para la capacidad de recuperacion mas fuerte del foco del telescopio.
v) Dado que el angulo solido que ambos espejos 10a, 10b presente en el medio de ganancia se reduce, hay una reduccion correspondiente en perdidas de emision espontanea amplificada (ASE).
vi) El resonador 5 de la presente invencion es simple y puede utilizar opticas esfericas, lo que reduce costes y la complejidad de fabricacion.
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Se apreciara que, aunque un ejemplo ventajoso de la invencion se ha descrito anteriormente, se contemplan variaciones en el ejemplo anterior.
Por ejemplo, se apreciara que la presente invencion es operable con una amplia variedad de materiales medio de ganancia adecuados, las configuraciones de bombeo, y las dimensiones del resonador, tal como se conoce en la tecnica, con diversos grados de eficacia, y no se limita a ninguna configuracion particular.
Se apreciara que la aplicacion mas generica de la presente invencion sena como un telescopio comun montado entre un numero par, tal como dos, brazos de un resonador doblado. Se apreciara que los reflectores finales podnan comprender cualquier medio adecuado conocido en la tecnica, tales como porros cruzados, cubos de esquina, espejos, o similares. El acoplador de salida puede comprender cualquier medio adecuado conocido en la tecnica, tales como la polarizacion acoplado, parcialmente reflectante, y similares.
Aunque el ejemplo espedfico descrito anteriormente utiliza un montaje de husillo en el eje, se apreciara que otros soportes adecuados pueden ser usados, tales como un tnbrido de montaje, en donde el lente del objetivo del telescopio esta montado a traves de su eje horizontal, y el lente ocular del telescopio esta montado alrededor de su periferia, es decir, el eje sena hueco alrededor del ocular, con orificios para permitir que los haces pasen. Esto permite ventajosamente que la lente ocular del telescopio llegue lo mas cerca posible al eje optico para maximizar una reduccion en la sensibilidad de enfoque.
Como se muestra en la figura 2, el medio de ganancia 25 comprende una varilla. Sin embargo, se apreciara que la varilla del medio de ganancia 25 puede ser igualmente una carcasa de bloque o camara de un medio de ganancia de estado no solido.
El resonador descrito anteriormente en el ejemplo detallado es un resonador de conmutacion de q. Sin embargo, se apreciara que el resonador alternativamente se puede configurar, operar o ser operable como un dispositivo de onda continua, un laser de modo bloqueado, un laser de pulso larga, o similares.
Se apreciara que un resonador de laser como se ha descrito anteriormente se puede usar en una variedad de potenciales aplicaciones basadas en laser y aparatos tales como, pero no limitados a un sensor, un designador laser, un telemetro, una fuente de la bomba laser y/o similares.
Por lo tanto, se apreciara que la descripcion espedfica anterior se proporciona a modo de ejemplo solamente y que el alcance de la invencion se define por las reivindicaciones.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un resonador (5) de laser que comprende:
    un acoplador (10a) de salida; un reflector (10b) de extremo; un retrorreflector (15); un telescopio (20);
    un medio (25) de ganancia; caracterizado porque
    el telescopio (20) es un telescopio comun, en el que el telescopio comun es un telescopio compartido por al menos dos brazos o trayectorias (50a, 50b) del resonador, estando el telescopio comun provisto en trayectorias de haces (50a, 50b) entre el retrorreflector (15) y tanto el reflector (10b) de extremo como el acoplador (10a) de salida.
  2. 2. El resonador (5) de laser segun la reivindicacion 1, en el que el retrorreflector (15) esta dispuesto de tal manera que un haz ni se recibe ni se refleja a lo largo de un eje (40) de simetna del retrorreflector (15).
  3. 3. El resonador (5) de laser segun la reivindicacion 1 o la reivindicacion 2, en el que el telescopio (20) es compartido por un numero par de brazos o trayectorias de haces (50a, 50b) del resonador (5) por viaje de ida y vuelta.
  4. 4. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que:
    el resonador (5) esta configurado de tal manera que un haz o la radiacion reflejada desde el acoplador (10a) de salida pasa a traves del telescopio (20) antes de ser reflejada por el retrorreflector (15) al reflector (10b) de extremo a traves del telescopio (20); y/o
    el medio (25) de ganancia se proporciona en la trayectoria del haz (50a) entre el retrorreflector (15) y el telescopio (20); y/o
    el telescopio (20) esta configurado para expandir el haz que pasa por el medio (25) de ganancia.
  5. 5. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el acoplador (10a) de salida y el reflector (10b) de extremo estan integrados, y se proporcionan opcionalmente sobre un sustrato (30) comun.
  6. 6. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que:
    la geometna del resonador-telescopio esta optimizada para una baja sensibilidad lmea de vision del focalizador del telescopio; y/o
    el telescopio (20) comprende medios (65) de ajuste de enfoque; y/o el telescopio (20) es desenfocado o esta configurado para ser desenfocado.
  7. 7. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el telescopio (20) esta configurado para introducir convergencia o divergencia local dentro de la cavidad.
  8. 8. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el enfoque del telescopio (20) se atermaliza activa o pasivamente; y comprende opcionalmente un montaje reentrante (60a).
  9. 9. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que:
    el telescopio (20) esta configurado para exhibir aberraciones opticas bajas fuera del eje; o
    el telescopio (20) esta configurado para tener aberraciones de eje, que puede estar opcionalmente configuradas
    para lograr la estabilidad de ida y vuelta.
  10. 10. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que:
    el retrorreflector (15) comprende un retrorreflector de esquina de cubo; y/o el retrorreflector (15) esta dispuesto para estar fuera de eje; y/o
    un eje (40) de simetna del retrorreflector (15) es colineal con el eje optico del telescopio comun (20).
  11. 11. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que el resonador (5) comprende o incorpora un elemento de ajuste de alineacion; el elemento de ajuste de alineacion que comprende opcionalmente una cuna (45) optica fija o un conjunto de pares de cunas giratorias (85a, 85b).
  12. 12. El resonador (5) de laser segun cualquier reivindicacion anterior, en el que:
    el resonador (5) de laser comprende una fuente (75) de radiacion configurada para el bombeo de extremo del medio de ganancia a traves de un divisor (70) de haz polarizado, en el que el divisor (70) de haz polarizado es operable como un conmutador de Q; y/o
    el resonador (5) de laser esta configurado para soportar y/o crear uno o mas modos resonantes estables.
  13. 13. Un laser que comprende el resonador (5) de laser de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12.
  14. 14. Un aparato que comprende un laser segun la reivindicacion 13.
  15. 15. Un procedimiento de operacion de un resonador (5) de laser segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 y/o un laser segun la reivindicacion 13 y/o un aparato segun la reivindicacion 14.
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