ES2909666T3 - Láser de disco semiconductor (SDL) con auto bloqueo de modos mejorado - Google Patents

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Graeme Peter Alexander Malcolm
Craig James Hamilton
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Abstract

Un láser (1) con auto bloqueo de modos que comprende: un resonador (2) que termina en un primer (3) y un segundo espejo (4) y plegado por un tercer espejo (5), donde el tercer espejo comprende un reflector (15) coronado por un medio (16) de ganancia semiconductor de múltiples capas que incluye al menos una capa de pozo cuántico, y una capa (20) de lente Kerr óptica, un perturbador configurado para proporcionar un medio para inducir una pequeña perturbación en la intensidad de uno o más modos (11) de la cavidad del resonador (2), causando que la capa (20) de lente Kerr óptica induzca el bloqueo de modos en un campo (12) de salida del resonador (2), caracterizado por que el segundo espejo (4) comprende un espejo saturable en intensidad empleado para reducir el ancho de pulso y el ruido del campo (12) de salida del resonador (2).

Description

DESCRIPCIÓN
Láser de disco semiconductor (SDL) con auto bloqueo de modos mejorado
La presente invención hace referencia al campo de los láseres semiconductores y en particular a un láser de disco semiconductor (SDL, por sus siglas en inglés), configurado para emitir pulsos ultracortos de radiación.
Ha de señalarse que los SDL son también conocidos en la técnica como láseres de emisión superficial con cavidad externa vertical (VECSEL- del inglés Vertical External Cavity Surface Emitting Laser) o Láseres semiconductores de bombeo óptico (OPSL - del inglés Optically Pumped Semiconductor Lasers). Por lo tanto, el término láser de disco semiconductor (SDL), cuando se utiliza a lo largo de la presente descripción, se utiliza para hacer referencia a cada uno de estos sistemas.
El término pulsos “ultracortos”, tal como se utiliza dentro de la siguiente descripción, hace referencia a pulsos con una duración de aproximadamente 100 picosegundos (ps) a unos pocos femtosegundos (fs).
Los pulsos ultracortos de radiación óptica generados por fuentes de láser, se emplean en una serie de aplicaciones científicas, en instrumentación y en óptica no lineal. Una técnica bien conocida para la generación de pulsos cortos o para generar pulsos ultracortos es el bloqueo de modos. Cuando se produce el bloqueo de modos en un resonador láser, una pluralidad de modos del resonador láser se acopla mediante enganche de fase, de tal manera que el campo electromagnético generado resultante comprenda un modo de pulsos cortos o un modo de la cavidad que circule dentro del resonador. Puede inducirse mediante una modulación de pérdidas temporal que reduce las pérdidas de la cavidad interna para un pulso dentro del tiempo de desplazamiento ida y vuelta de cada cavidad. Esto tiene como resultado una ventana de ganancia neta abierta, en las que los pulsos únicamente experimentan ganancia si pasan por el modulador dentro de una ventana de tiempo en particular.
La modulación de las pérdidas puede formarse ya sea de forma activa o de forma pasiva. El bloqueo de modos activo se logra, por ejemplo, utilizando un modulador acústico-óptico como elemento de cavidad interna, que se sincroniza con el tiempo de desplazamiento ida y vuelta en la cavidad. Sin embargo, la generación de pulsos ultra cortos se basa en técnicas de bloqueo de modos pasivo, debido a que únicamente un obturador pasivo es lo suficientemente rápido para conformar y estabilizar pulsos ultra cortos. El bloqueo de modos pasivo generalmente se basa en un mecanismo absorbente saturable, el cual produce una pérdida decreciente con una creciente intensidad óptica. Cuando los parámetros del dispositivo de absorción saturable se ajustan correctamente para el sistema láser, puede lograrse un bloqueo de modos estable y de auto-arranque.
Es conocido en la técnica emplear un reflector de Bragg saturable (SBR) para realizar el bloqueo de modos pasivo en un láser de estado sólido, ver por ejemplo Tsuda et al "Mode-Locking Ultrafast Solid-State Lasers with Saturable Bragg Reflectors", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (revista de temas seleccionados en electrónica cuántica) Vol. 2, N° 3, Septiembre de 1996 págs. 454 - 463 y en la patente de EE.UU. número 5,627,854. Un SBR (también denominado en ocasiones como SESAM® (espejos absorbentes saturables semiconductores), es un espejo no lineal que comprende uno o más pozos cuánticos de semiconductores dentro de un reflector de Bragg distribuido (DBR) estándar, es decir, un apilamiento de capas alternas de materiales semiconductores de cuarto de onda. Como resultado, la reflectancia, o la absorción, mostrada por un SBR depende de la intensidad, es decir, la reflectancia es mayor para mayores intensidades de luz. Se han demostrado modos de bloqueo de femtosegundos de resonadores que contienen medios de ganancia de estado sólido de Ti:zafiro o Cr:LiCAF empleando estas técnicas.
La publicación de patente de EE.UU. con número 2004/0190567 extiende los anteriores conceptos para realizar el bloqueo de modos de un SDL incorporando un reflector de Bragg saturable (SBR) dentro del resonador. Durante su operación, todos los dispositivos descritos se inician en una operación de onda continua. Entonces se requiere una “ligera perturbación externa” de la intensidad del campo de la cavidad interna para proporcionar la perturbación inicial necesaria para que ocurra el bloqueo de modos. Un mecanismo conocido en la técnica para lograr esta perturbación inicial es la introducción de una perturbación mecánica a través de uno de los espejos de la cavidad, por ejemplo, que el espejo sea golpeado por el operador.
Son también conocidas técnicas de bloqueo de modos alternativas en donde el mecanismo de bloqueo de modos se basa en el efecto Kerr óptico. Ejemplos de tales dispositivos se han descrito previamente por parte de los presentes inventores en las publicaciones de patente internacional números WO 2013/144619 y w O 2013/144620. Ambos de estos documentos describen SDL con auto bloqueo de modos en los que el mecanismo de bloqueo de modos empleado es una capa de lentes Kerr ópticas situadas dentro del medio de ganancia. Al contrario que lo que muestra la publicación de patente de EE.UU. número 2004/0190567, ambos sistemas son de auto bloqueo de modos ya que ambos incorporan un medio para inducir la perturbación inicial requerida en la intensidad del campo de la cavidad interna.
En el documento WO 2013/144619 esto se logra ajustando la longitud del resonador de tal manera que el tiempo de desplazamiento de ida y vuelta del modo de la cavidad se corresponda con el tiempo de vida del nivel superior de los portadores de semiconductores situados dentro del medio de ganancia.
Alternativamente, y tal como se describe en el documento WO 2013/144620 o en el documento de su familia GB 2493583 A, puede emplearse un controlador de astigmatismo para introducir astigmatismo en el modo de la cavidad en el medio de ganancia. El resonador se configura a continuación de tal manera que la capa de lentes Kerr óptica actúa para compensar este astigmatismo inducido del modo de la cavidad. O. Pronin et al., Opt. Lett. 36 (2011) 4746 divulga que un espejo absorbente saturable puede emplearse dentro de un láser de disco delgado de Yb:YAG para inducir el bloqueo de modos de la lente Kerr.
En una serie de aplicaciones científicas, en instrumentación y en óptica no lineal, resulta a menudo deseable obtener los anchos de pulso más cortos que estén disponibles. Se reconoce, por lo tanto, que sería ventajoso proporcionar un sistema de láser de disco semiconductor con auto bloqueo de modos que muestre pulsos de salida que tengan anchos de pulso más cortos que los que se proporcionan mediante los sistemas de láser de disco semiconductores con auto bloqueo de modos conocidos en la técnica.
Resumen de la invención
El objeto de la presente invención se resuelve mediante un láser y un método para el bloqueo de modos de un láser, según se define en las reivindicaciones independientes. En las reivindicaciones dependientes se definen realizaciones preferidas.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un láser con auto bloqueo de modos, comprendiendo el láser:
un resonador terminado por un primer y un segundo espejos y plegado por un tercer espejo, donde el tercer espejo comprende un reflector coronado por un medio de ganancia semiconductor de múltiples capas que incluye al menos una capa de pozo cuántico y una capa de lente Kerr óptica,
un perturbador que proporciona un medio para inducir una pequeña perturbación en una intensidad de uno o más modos de la cavidad del resonador, causando que la capa de la lente Kerr óptica induzca el bloqueo de modos en un campo de salida del resonador,
caracterizado por que
el segundo espejo comprende un espejo saturable en intensidad empleado para reducir el ancho de pulso y el ruido del campo de salida del resonador.
La anterior configuración proporciona un láser que bloquea modos sin requerir que se incorpore en el mismo un elemento dedicado de bloqueo de modos activo o pasivo. El perturbador se emplea para inducir una pequeña perturbación en la intensidad de los modos de la cavidad del resonador que sea suficiente que es suficiente para que la capa de la lente Kerr óptica induzca el bloqueo de modos en el campo de salida. El espejo saturable en intensidad proporciona un medio para reducir los anchos de pulso del campo de salida generado, por ejemplo por debajo de 100 fs.
El perturbador puede además comprender un controlador de astigmatismo que proporciona un medio para introducir astigmatismo en dicho uno o más modos de la cavidad en el medio de ganancia. En esta realización el resonador se configura preferiblemente de tal manera que la capa de la lente Kerr actúa para compensar el astigmatismo introducido en los modos de la cavidad. Compensando el astigmatismo introducido en los modos de la cavidad, se aumenta el área de solapamiento entre los modos de la cavidad y un punto de bombeo en el medio de ganancia. Alternativamente, el perturbador puede comprender seleccionar la longitud del resonador, de manera que el tiempo de desplazamiento de ida y vuelta de los modos de la cavidad se corresponde con el tiempo de vida del nivel superior de uno o más portadores en un semiconductor, situados dentro del medio de ganancia.
Más preferiblemente, la capa de la lente Kerr óptica comprende un disipador de calor montado sobre el medio de ganancia semiconductor. El disipador de calor puede comprender una capa de cristal de diamante.
El resonador puede además comprender un diafragma de abertura con una abertura situada en el mismo. Preferiblemente, el diafragma de abertura se sitúa adyacente al segundo espejo. Alternativamente, la abertura se sitúa adyacente al primer espejo.
El resonador puede plegarse adicionalmente por un cuarto espejo, estando dicho cuarto espejo situado entre el segundo y el tercer espejo. El cuarto espejo tiene preferiblemente un radio de curvatura cóncavo.
El controlador de astigmatismo puede comprender un medio de rotación de espejo. El medio de rotación de espejo puede emplearse para hacer girar el cuarto espejo para variar el ángulo de incidencia de los modos de la cavidad sobre el cuarto espejo.
El reflector puede comprender un primer reflector de Bragg distribuido (DBR).
Preferiblemente, el espejo saturable en intensidad comprende un reflector de Bragg saturable (SBR) con un segundo reflector de Bragg distribuido (DBR) y una o más capas de pozo cuántico dentro del segundo reflector de Bragg distribuido (DBR).
De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporciona un método de auto bloqueo de modos de un láser, donde el método comprende
- proporcionar un resonador que termina en un primer y un segundo espejo que comprende:
- plegar el resonador con un tercer espejo, dicho tercer espejo comprendiendo un reflector coronado por un medio de ganancia semiconductor de múltiples capas que incluye al menos una capa de pozo cuántico y una capa de lente Kerr óptica;
- inducir una pequeña perturbación en una intensidad de uno o más modos de la cavidad del resonador, causando que la capa de lente Kerr óptica induzca el bloqueo de modos en el campo de salida del resonador; y
- caracterizado por que
el segundo espejo comprende un espejo saturable en intensidad empleado para reducir el ancho de pulso y el ruido del campo de salida del resonador.
Inducir una pequeña perturbación en la intensidad del campo de la cavidad interna del resonador puede comprender introducir astigmatismo en dicho uno o más modos de la cavidad en el medio de ganancia.
El método de auto bloqueo de modos de un láser puede además comprender configurar el resonador de tal manera que la capa de la lente Kerr actúe para compensar el astigmatismo introducido en el modo de la cavidad. De este modo, se aumenta el área de solapamiento entre el modo de la cavidad y un punto de bombeo en el medio de ganancia.
Inducir una pequeña perturbación en la intensidad de uno o más modos de la cavidad del resonador puede comprender seleccionar la longitud del resonador, de tal manera que el tiempo de desplazamiento de ida y vuelta de dicho uno o más modos de la cavidad se corresponda con el tiempo de vida del nivel superior de uno o más portadores de semiconductores situados dentro del medio de ganancia.
El método de auto bloqueo de modos de un láser puede además comprender plegar la cavidad proporcionando un quinto espejo entre el segundo y el tercer espejo.
El astigmatismo puede ser introducido en el modo de la cavidad haciendo girar el cuarto espejo para aumentar el ángulo de incidencia de un campo resonante sobre el cuarto espejo.
Breve descripción de los dibujos
A continuación, se describirán, a modo de ejemplo únicamente, diversas realizaciones de la invención en referencia a los dibujos, de los cuales:
La Figura 1 presenta una representación esquemática de un láser de disco semiconductor (SDL) con auto bloqueo de modos, de acuerdo con una realización de la presente invención;
La Figura 2 presenta una representación esquemática de un láser de disco semiconductor (SDL) empleado por el láser de la Figura 1;
La Figura 3 presenta una representación esquemática de un aparato de refrigeración empleado en conjunto con el SDL de la Figura 2;
La Figura 4 presenta una representación esquemática de un reflector de Bragg saturable (SBR) empleado por el láser de la Figura 1;
La Figura 5 presenta una representación esquemática de un modo de la cavidad, un punto de bombeo y un modo de la lente Kerr en la superficie del SDL de la Figura 1;
La Figura 6 presenta un diagrama de estabilidad para el láser de la Figura 1; y
La Figura 7 presenta una representación esquemática de los perfiles de reflectancia y ganancia para los láseres de disco semiconductores (SDL) de la Figura 1.
En la siguiente descripción, las partes similares se encuentran marcadas a lo largo de la especificación y los dibujos con los mismos números de referencia. Los dibujos no se encuentran necesariamente a escala y las proporciones de ciertas partes han sido exageradas para ilustrar mejor los detalles y las características de las realizaciones de la invención.
Descripción detallada
En referencia inicialmente a la Figura 1, se muestra una representación esquemática de un láser 1 de disco semiconductor (SDL) con auto bloqueo de modos, de acuerdo con una realización de la presente invención. Para claridad en la comprensión, se proporcionan unos ejes dentro de esta figura. El plano de la cavidad al que se hace referencia a continuación es el plano definido por los ejes x y z.
Puede verse que el láser 1 con auto bloqueo de modos comprende un resonador láser 2 formado entre un primer 3 y un segundo espejo 4 e incluye un láser 5 de disco semiconductor (SDL) bombeado ópticamente de múltiples capas, del cual se proporcionan detalles adicionales a continuación, en referencia a las Figuras 2 y 3. Tal como puede verse el SDL 5 está dispuesto para funcionar como un primer espejo de plegamiento para el resonador 2. Tres espejos 6, 7 y 8 de plegamiento adicionales se incluyen dentro del resonador 2 y de este modo el resonador 2 puede considerarse un resonador plegado cuatro veces.
Los tres espejos 6, 7 y 8 de plegamiento están dispuestos para ser altamente reflectores en una longitud de onda central Ao del SDL 5 (para facilidad de la comprensión se elige que ésta sea de 980nm), mientras que el primer espejo 3 es parcialmente reflector y parcialmente transmisor en esta longitud de onda central, y de este modo actúa como un acoplador de salida para el resonador 2.
Los espejos 4, 6, 7 y 8 puede montarse dentro de soportes de espejo controlados piezo-eléctricamente, para proporcionar un medio de ajuste fino del alineamiento de estos componentes. Además, los espejos 3, 6 y 8 son espejos cóncavos, cada uno de ellos con un radio de curvatura de 200 mm, mientras que los espejos 4 y 7 y el SDL 5 son sustancialmente elementos reflectantes planos, de tal manera que el resonador 2 es ópticamente estable. Más adelante se proporciona una discusión adicional del perfil del segundo espejo 4, y las implicaciones que esto tiene para la estabilidad del resonador 2. En la realización de la Figura 1, se encuentra prevista una separación de 150mm entre cada uno de los espejos 3, 5, 6, 7, 8 y 4 adyacentes del resonador 2.
Se proporciona un campo 9 de bombeo óptico onda continua (cw) adecuado para bombear el SDL 5, empleando un sistema 10 de diodos láser acoplados de fibra. En la realización descrita actualmente el sistema 10 de diodos láser acoplados de fibra se configura para generar un campo 9 de bombeo óptico de cw a 808 nm. Un DILAS® M1F4S22-80830C-SS2.1 es un ejemplo de un sistema 10 de diodos láser acoplados de fibra adecuado de este tipo.
Tal como puede verse a partir de la Figura 1, el sistema 10 de diodos láser acoplados de fibra está dispuesto para bombear el medio 16 de ganancia en un ángulo adecuado para proporcionar un punto de bombeo elíptico en la superficie del medio 16 de ganancia. Se podrá apreciar por el lector experto que la presente invención no está así limitada y que el sistema 10 de diodos láser acoplados de fibra podría proporcionar un campo 9 de bombeo que sea perpendicular al SDL 5, para proporcionar un punto de bombeo circular en la superficie del medio 16 de ganancia. En la Figura 1 el campo resonante de cavidad interna se representa generalmente con el número de referencia 11, mientras que el campo de salida de pulsos ultracortos del resonador 2 láser se representa en general con el número de referencia 12.
Una representación esquemática del SDL 5 se presenta en la Figura 2. Puede verse que el SDL 5 comprende una estructura 13 de oblea que se hace crecer mediante la técnica de deposición de vapor mediante procesos químicos organometálicos (MOCVD) en un sustrato 14 de GaAs. La deposición de la estructura de oblea puede lograrse mediante técnicas alternativas conocidas en la técnica p.ej., técnicas de deposición mediante epitaxia por haces moleculares (MBE, por sus siglas en inglés). La estructura 13 de oblea comprende una primera región 15 de reflector de Bragg distribuido (DBR), un medio 16 de ganancia, una barrera 17 de potencial de confinamiento del portador y una capa 18 de prevención de la oxidación.
Tal como puede apreciarse por parte de los expertos en la técnica, hay muchas variaciones de las estructuras 13 de oblea incorporadas dentro de los SDL, y la presente invención no se limita a su uso con cualquier DBR 15 o estructura del medio 16 de ganancia en particular. En general, el medio 16 de ganancia comprenderá múltiples pozos cuánticos separados a igual distancia entre estructuras de media onda que permiten que el SDL 5 sea bombeado ópticamente a una longitud de onda de la bomba conveniente, mientras que los DBR 15, generalmente, comprenden múltiples pares de capas de cuarto de onda que muestran altas reflectancias a la longitud de onda deseada para el campo 12 de salida.
Únicamente a modo de ejemplo, las realizaciones descritas actualmente comprenden un medio 16 de ganancia que comprende pozos cuánticos de InGaAs separados a igual distancia entre estructuras de GaAs de onda media que permiten que el SDL 5 sea bombeado ópticamente a 808 nm, a la vez que generan una salida de 980 nm. Con la anterior disposición, el medio 16 de ganancia forma una característica 34 de etalon de ganancia periódica resonante (RPG, del inglés Resonant Periodic Gain) que muestra un rango espectral libre (FSR) del orden de 30 nm. Más adelante, se discute en mayor detalle la significancia de esta característica en referencia a la Figura 7.
La primera región 15 de DBR comprende treinta pares de capas de cuarto de onda de AlAs-GaAs que producen una reflectancia mayor de 99,9% centradas a 980 nm. La barrera 17 de potencial de confinamiento del portador comprende una única capa de un grosor de longitud de onda de Al0,3Ga0,7As. La capa 18 de prevención de oxidación puede comprender una fina cubierta de GaAs.
Entre los medios de ganancia alternativos conocidos para los expertos en la técnica que pueden utilizarse alternativamente se incluyen estructuras de arseniuro de galio (GaAs) capaces de generar longitudes de onda de salida entre 670 nm y 1300 nm; estructuras de fosfuro de indio (InP) capaces de generar longitudes de onda de salida entre 1350 nm y 1600 nm; y estructuras de antimoniuro de galio (GaSb) capaces de generar longitudes de onda entre 1800 nm y 2700 nm. Estos medios de ganancia pueden estar basados en pozos cuánticos o puntos cuánticos, tal como es conocido por los expertos en la técnica.
La Figura 3 presenta en mayor detalle un aparato 19 de refrigeración empleado para mejorar las características operativas del SDL 5. En particular, el aparato 19 de refrigeración comprende un disipador 20 de calor y un dispositivo de refrigeración 21 de agua o termoeléctrico estándar. El disipador 20 de calor comprende un monocristal de diamante que comprende una cara 22 externa en forma de cuña. Puede depositarse un recubrimiento antireflexión de alto rendimiento sobre la superficie de la cara 22 en forma de cuña.
El disipador 20 de calor con un monocristal de diamante se adhiere mediante contacto óptico con la estructura 13 de oblea de manera que el medio 16 de ganancia se sitúa entre el disipador 20 de calor y la región 15 de DBR. La estructura 13 de oblea y el disipador 20 de calor se fijan a continuación encima de una capa de una hoja 23 de indio sobre el dispositivo de refrigeración 21 de agua o termoeléctrico.
El espejo 4 es un espejo saturable en intensidad y puede comprender un reflector de Bragg saturable (SBR) del tipo descrito en detalle dentro de la patente de EE.UU. con número 5,627,854 y presentada esquemáticamente en la Figura 4. En la realización descrita actualmente este componente comprende un único pozo 24 cuántico que se hace crecer dentro de un segundo reflector 25 de Bragg distribuido (DBR). Puede observarse que el segundo DBR 25 comprende ocho pares de capas de cuarto de onda de AlAs 26 AIGaAs 27 montadas sobre un sustrato 28 de GaAs para producir una reflectancia mayor del 99,9% sobre un ancho de banda AR de reflectancia de aproximadamente 100 nm centradas a 950 nm. Con la anterior disposición el rango espectral libre (FSR) del segundo reflector 25 de Bragg distribuido (DBR) es del orden de 300 nm.
Tal como puede apreciarse por los expertos en la técnica, el control de temperatura del espejo 4 saturable en intensidad es también necesario. Esto puede lograrse empleando un dispositivo de refrigeración termoeléctrico o de agua estándar, de una forma similar a la descrita anteriormente en relación con el SDL 5.
El auto bloqueo de modos del láser 1 puede lograrse empleando los siguientes dos mecanismos, ya sea independientemente o en combinación.
El primer mecanismo reside en el hecho de que el monocristal de diamante es un material que muestra un efecto Kerr óptico inherente. Este efecto puede ser explotado para configurar el SDL 5 para operar como un sistema con auto bloqueo de modos, tal como se describirá a continuación en mayor detalle en referencia a la Figura 5. En particular, la Figura 5 presenta una representación esquemática de un modo 29 de la cavidad, un punto 30 de bombeo y un modo 31 de la lente Kerr en la superficie del SDL 5 de la Figura 1. El resonador 2 se configura de tal manera que haya un solapamiento del área del modo 29 de la cavidad, el punto 30 de bombeo y el modo 31 de la lente Kerr en la superficie del SDL 5.
El área del modo 31 de la lente Kerr en el SDL 5 está definida por el disipador 20 de calor de un monocristal de diamante y en la realización descrita en la actualidad muestra un perfil elíptico con su eje principal orientado a lo largo del eje x. De manera similar el punto 30 de bombeo en el SDL 5 está configurado para tener un perfil elíptico con su eje principal también orientado a lo largo del eje x. El eje principal del modo 31 de la lente Kerr en la realización descrita actualmente es menor que el eje principal del punto 30 de bombeo.
El espejo 6 de plegamiento cóncavo se dispone para introducir astigmatismo al modo 29 de la cavidad. Esto se logra haciendo girar el espejo 6 de plegamiento cóncavo alrededor del eje y para aumentar el ángulo de incidencia del campo 11 resonante sobre este espejo 6. Tal como puede observarse a partir de la Figura 5, esta rotación tiene como resultado que el modo 29 de la cavidad en el SDL 5 tenga un perfil elíptico con su eje principal orientado a lo largo del eje y.
En esta configuración el láser 1 semiconductor comienza a emitir luz láser cuando el medio 16 de ganancia es bombeado por el campo 9 de bombeo y el campo 12 de salida se genera de este modo. La introducción del astigmatismo en el modo 29 de la cavidad en la superficie del SDL 5 significa que, una vez que el efecto de la lente Kerr del disipador 20 de calor comienza, el eje principal del modo 29 de la cavidad se reduce de forma efectiva, causando de este modo un mayor solapamiento entre el área del modo 29 de la cavidad y el punto 30 de bombeo. De este modo, el efecto de la lente Kerr del disipador 20 de calor puede emplearse para superar el astigmatismo inducido y así proporciona un primer mecanismo para el auto bloqueo de modos del campo 12 de salida.
El segundo mecanismo se conecta de forma inherente con la longitud del resonador 2. Ajustando la longitud del resonador 2, de tal manera que el tiempo de desplazamiento de ida y vuelta de los modos de la cavidad se corresponda con el tiempo de vida del nivel superior de los portadores en un semiconductor situados dentro del medio 16 de ganancia, se introduce una pequeña perturbación en la intensidad del campo 12 de salida que es suficiente para que el efecto Kerr óptico inherente del disipador 20 de calor del monocristal de diamante induzca el bloqueo de modos del campo 12 de salida. En la realización descrita actualmente el tiempo de vida de los portadores en un semiconductor es de aproximadamente 5 ns, proporcionando al resonador una longitud de aproximadamente 750 mm y una tasa de repetición de aproximadamente 200 MHz.
El empleo del espejo 4 saturable en intensidad en lugar de un espejo plano estándar, proporciona una serie de mejoras operativas al láser 1. En el primer caso, debido a que este espejo 4 es saturable en intensidad, éste actúa para sujetar los bordes frontales de los pulsos de la cavidad interna o los modos de la cavidad que forman el campo 11 del resonador. El efecto de saturación de la ganancia dentro del medio 16 de ganancia, actúa de forma similar para sujetar el borde posterior de estos pulsos de la cavidad interna o modos de la cavidad. La presencia del espejo 4 saturable en intensidad proporciona por lo tanto un medio para acortar los anchos de pulso generados por el láser 1, en comparación con los sistemas conocidos en la técnica. Se ha demostrado por parte de los inventores un SDL 1 de salida con auto bloqueo de modos con anchos de pulso en el rango de 100 ps a 100 fs.
El uso del espejo 4 saturable en intensidad también proporciona una salida 12 que muestra menos ruido y que es significativamente más estable que los sistemas conocidos en la técnica, que se explicarán a continuación en mayor detalle.
En referencia al diagrama de estabilidad de la Figura 6, una “x” marca la posición de estabilidad calculada para el resonador 2 tal como se muestra en la Figura 1, donde el segundo espejo 4 es realmente plano.
Sin embargo, de alguna forma sorprendente, los inventores han descubierto que la posición de estabilidad para el láser 1 (marcada con un “*” en la Figura 6) se encuentra más cercana al origen que el valor calculado teóricamente, es decir, el resonador 2 es más estable de lo que se predijo originalmente teóricamente. La razón para este sorprendente aumento en la estabilidad del resonador 2 reside en el hecho de que el segundo DBR 25 provee al espejo 4 saturable en intensidad de un perfil de superficie exterior ligeramente convexo, en lugar de un perfil de superficie verdaderamente plana.
Se logra una reducción adicional de la inestabilidad de ruido del láser 1 como resultado del hecho de que existe un desfase de la longitud de onda entre el perfil 32 de reflectancia del segundo reflector 25 de Bragg distribuido (DBR) contenido dentro del espejo 4 saturable en intensidad, y el perfil 33 de reflectancia del primer DBR 15 del SDL 5, tal como se representa esquemáticamente en la Figura 7. La Figura 7 también presenta una representación esquemática de la característica del etalon de ganancia periódica resonante (característica RPG) representada por el número de referencia 34.
La práctica habitual en la técnica es diseñar resonadores que tengan los perfiles de reflectancia de los diversos espejos centrados alrededor de una longitud de onda preferida, por ejemplo A0 = 980 nm. Sin embargo, los inventores han observado que tales resonadores sufren de inestabilidades de ruido. Las investigaciones sugieren que estas inestabilidades de ruido son un resultado de la competición de ganancias entre la ganancia de la característica de RPG que corresponde a la longitud de onda A0 central y las de las características de RPG a longitudes de onda más largas, por ejemplo 1010nm. De hecho, en ausencia de este desfase de la longitud de onda, los inventores incluso han observado, de modo algo sorprendente, una salida con bloqueo de modos a 1010 nm correspondiente con la característica de RPG de menor energía en la siguiente longitud de onda más larga. Estas inestabilidades e incertidumbres en la longitud de onda operativa de un SDL con bloqueo de modos son, obviamente, muy problemáticas para el desarrollo y la producción de cualquier sistema láser comercial.
Como podrá ser apreciado por parte del lector experto, en la realización descrita actualmente el perfil 32 de reflectancia del segundo reflector 25 de Bragg distribuido (DBR) se ha cambiado a una longitud de onda más corta de 30 nm, una cantidad correspondiente a un rango espectral libre de la característica 34 de etalon de ganancia periódica resonante (RPG). El efecto de este desfase es introducir una pérdida controlada en el resonador 2. Se ha observado que esta pérdida controlada es suficiente para suprimir la ganancia en la longitud de onda más larga correspondiente a la característica de RPG de menor energía (es decir, la característica de RPG de 1010 nm), pero no de un nivel tal como para evitar el inicio del auto bloqueo de modos dentro de al característica de RPG que coincide con la longitud de onda A0 central a 980 nm.
Además, incluso cuando la reflectancia del segundo reflector 25 de Bragg distribuido (DBR) se centra a 950 nm, permanece una ganancia insuficiente dentro de la característica de RPG de mayor energía de una longitud de onda más corta (es decir, la característica de RPG de 950 nm) para interrumpir el bloqueo de modos del campo 12 de salida de 980 nm. La razón para esto reside en el hecho de que existe una tendencia dentro de un SDL para que los portadores se congreguen a energías más bajas, y de este modo emitan luz a longitudes de onda más largas correspondientes.
El resultado total de reducir la reflectancia dentro del resonador para la longitud de onda A0 central introduciendo un desfase entre los perfiles de reflectancia de la región 25 del segundo DBR y la de la región 15 del primer DBR es que el campo 12 de salida del láser 1 realiza el bloqueo de modos de forma fiable a la longitud de onda A0 central deseada de 980 nm, con unas características de ruido significativamente mejoradas.
Aún se observa que se encuentra presente una pérdida suficiente en la ganancia a la longitud de onda más larga correspondiente a la característica de RPG de menor energía (es decir, la característica de RPG de 1010 nm), cuando el perfil 32 de reflectancia de la región 25 del segundo DBR se cambia a una longitud de onda más corte en únicamente 15 nm, una cantidad correspondiente la una mitad del rango espectral libre de la característica de etalon de ganancia periódica resonante (RPG).
Como resultado de la combinación de las anteriores características, se proporciona un láser con auto bloqueo de modos que genera bajo ruido, y un campo de salida ultracorto a 980 nm, es decir, pueden generarse anchos de pulso por debajo del rango de 100 ps a 100 fs. Este resultado es sumamente repetible y el bloqueo de modos tiene lugar sin el requerimiento de entradas adicionales por parte del operador del láser 1. Además, el láser 1 opera de forma estable en los modos electromagnéticos transversales TEM00 durante largos periodos de tiempo. Como resultado, los inventores han podido producir un SDL con auto bloqueo de modos basado en un espejo saturable en intensidad comercialmente viable.
Podrá apreciarse que pueden incorporarse una cantidad de alternativas en las realizaciones descritas anteriormente. Por ejemplo, la estructura del SDL 5 puede variarse para proporcionar longitudes de onda de salida alternativas según se requiera por la aplicación en particular para la que va a emplearse el láser semiconductor.
Además, las orientaciones del modo 29 de la cavidad, el punto 30 de bombeo y el modo 31 de lente Kerr pueden variarse de tal manera que los ángulos entre los ejes principales asociados varíen de la realización descrita en particular. Lo que es importante, es que el resonador esté configurado de tal manera que el astigmatismo introducido en el modo 29 de la cavidad por la configuración del resonador 2 se reduzca mediante el efecto Kerr óptico, inducido por el disipador 20 de calor, cuando el medio 16 de ganancia es bombeado por el campo 9 de bombeo, de tal manera que se aumenta el área de solapamiento entre el modo 29 de la cavidad y el punto 30 de bombeo.
El disipador de calor puede comprender alternativamente materiales distintos del monocristal de diamante siempre que el material empleado muestre la capacidad de disipación de calor y las propiedades de lente Kerr óptica requeridas. El zafiro (AbO2) y el carburo de silicio (SiC) son ejemplos de materiales alternativos que pueden ser empleados para producir el disipador de calor.
Los sistemas de láseres semiconductores actualmente descritos pueden emplearse para generar un campo de pulsos de salida con anchos de pulsos en un rango de 100 ps a 100 fs, a longitudes de onda entre 670 nm y 2700 nm y con salidas de potencia en un rango de 100 mW a 5 W.
Se describe un láser con auto bloqueo de modos y un método correspondiente. El láser comprende un resonador que termina en un primer y un segundo espejo y plegado por un tercer espejo. El tercer espejo comprende un reflector sobre el que se monta un medio de ganancia semiconductor de múltiples capas que incluye al menos una capa de pozo cuántico y una capa de lente Kerr óptica. También se incluye un resonador que proporciona un medio para inducir una perturbación en la intensidad de uno o más modos de la cavidad del resonador. El perturbador se emplea para inducir una pequeña perturbación en la intensidad de los modos de la cavidad del resonador que sea suficiente para que la capa de lente Kerr óptica induzca el bloqueo de modos en el campo de salida. El segundo espejo comprende un espejo saturable en intensidad que proporciona un medio para reducir los anchos de pulso del campo de salida generado, por ejemplo hasta aproximadamente 100 fs.
A lo largo de la especificación, a menos que el contexto lo exija de otro modo, ha de entenderse que los términos “comprender” o “incluir”, o variaciones tales como “comprende” o “que comprende”, “incluye” o “incluye” implican la inclusión de un número entero o grupo de números enteros expuestos, pero no la exclusión de cualquier otro número entero o grupo de números enteros.
Además, la referencia a cualquier técnica anterior en la descripción no debería tomarse como una indicación que la técnica anterior forma parte del conocimiento general común.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un láser (1) con auto bloqueo de modos que comprende:
un resonador (2) que termina en un primer (3) y un segundo espejo (4) y plegado por un tercer espejo (5), donde el tercer espejo comprende un reflector (15) coronado por un medio (16) de ganancia semiconductor de múltiples capas que incluye al menos una capa de pozo cuántico, y una capa (20) de lente Kerr óptica,
un perturbador configurado para proporcionar un medio para inducir una pequeña perturbación en la intensidad de uno o más modos (11) de la cavidad del resonador (2), causando que la capa (20) de lente Kerr óptica induzca el bloqueo de modos en un campo (12) de salida del resonador (2), caracterizado por que
el segundo espejo (4) comprende un espejo saturable en intensidad empleado para reducir el ancho de pulso y el ruido del campo (12) de salida del resonador (2).
2. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en la reivindicación 1, en donde el perturbador comprende un controlador (6) de astigmatismo que proporciona un medio para introducir astigmatismo en dicho uno o más modos (11) de la cavidad en el medio (16) de ganancia, y en donde el resonador (2) está configurado de manera que la capa (20) de lente Kerr óptica actúe para compensar el astigmatismo inducido en dicho uno o más modos (11) de la cavidad.
3. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en donde el perturbador comprende la longitud del resonador (2) que se selecciona de manera que el tiempo de desplazamiento de ida y vuelta de los modos (11) de la cavidad se corresponda con el tiempo de vida del nivel superior de uno o más portadores de semiconductores situados dentro del medio (16) de ganancia.
4. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la capa (20) de lente Kerr óptica comprende un disipador de calor montado sobre el medio (16) de ganancia semiconductor.
5. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde la capa (20) de lente Kerr óptica comprende una capa de cristal de diamante.
6. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el resonador se pliega por un cuarto espejo (6), donde el cuarto espejo se encuentra situado entre el segundo (4) y el tercer espejo (5).
7. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en donde el controlador de astigmatismo comprende un medio de rotación de espejo.
8. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en la reivindicación 7, cuando depende de la reivindicación 6, en donde el medio de rotación de espejo se emplea para hacer girar el cuarto espejo (6) para variar el ángulo de incidencia de los modos (11) de la cavidad sobre el cuarto espejo (6).
9. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el reflector comprende un primer reflector de Bragg distribuido DBR.
10. Un láser (1) con auto bloqueo de modos según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el espejo saturable en intensidad comprende un reflector de Bragg saturable SBR que tiene un segundo reflector (25) de Bragg distribuido DBR y una o más capas (24) de pozo cuántico situada dentro del segundo reflector (25) de Bragg distribuido DBR.
11. Un método para el auto bloqueo de modos de un láser (1), donde el método comprende:
- proporcionar un resonador (2) que termina en un primer espejo (3) y un segundo espejo (4);
- plegar el resonador con un tercer espejo (5), donde el tercer espejo (5) comprende un reflector (15) coronado por un medio (16) de ganancia semiconductor que incluye al menos una capa de pozo cuántico, y una capa (20) de lente Kerr óptica;
- inducir una pequeña perturbación en la intensidad de uno o más modos (11) de la cavidad del resonador (2), causando que la capa (20) de lente Kerr óptica induzca el bloqueo de modos en un campo (12) de salida del resonador (2); y
- caracterizado por que el segundo espejo (4) comprende un espejo saturable en intensidad empleado para reducir el ancho de pulso y el ruido del campo (12) de salida del resonador (2).
12. Un método para el auto bloqueo de modos de un láser (1) según se reivindica en la reivindicación 11, en donde inducir la pequeña perturbación en la intensidad de los modos (11) de la cavidad del resonador (2) comprende introducir astigmatismo en dicho uno o más modos (11) de la cavidad en el medio (16) de ganancia y configurar el resonador (2) de manera que la capa (20) de lente Kerr óptica actúe para compensar el astigmatismo introducido en los modos (11) de la cavidad.
13. Un método para el auto bloqueo de modos de un láser (1) según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, en donde inducir la pequeña perturbación en la intensidad de uno o más modos (11) de la cavidad del resonador (2) comprende seleccionar la longitud del resonador (2) de manera que el tiempo de desplazamiento de ida y vuelta de dichos uno o más modos (11) de la cavidad se corresponda con el tiempo de vida del nivel superior de uno o más portadores de semiconductores situados dentro del medio (16) de ganancia.
14. Un método para el auto bloqueo de modos de un láser (1) según se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, en donde el método además comprende plegar el resonador (2) proporcionando un cuarto espejo (6) entre el segundo (4) y el tercer espejo (5).
15. Un método para el auto bloqueo de modos de un láser (1) según se reivindica en la reivindicación 14, en donde el astigmatismo se introduce en el modo (11) de la cavidad haciendo girar el cuarto espejo (6) para aumentar el ángulo de incidencia de un campo resonante sobre el cuarto espejo (6).
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