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Title:
LASER SYSTEM HAVING A TUNABLE DIGITAL SPECTRUM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/092296
Kind Code:
A2
Abstract:
The present invention allows selective filtering across the entire spectral range, including the VIS spectrum and the NIR spectrum. For this purpose, the configuration of the system comprises a polarising splitting cube for splitting the laser beam into two beams, namely a transmitted beam and a reflected beam, with respective linear polarisations that are perpendicular to one another. Two arms extend from the cube, each arm carrying, respectively, each beam and operating in the VIS range and in the NIR range. The system also comprises two modulators adapted to operate in the VIS range and in the NIR range, respectively. The beams are reflected and modulated, each in a liquid crystal on silicon-type spatial light modulator (LCOS-SLM), and, following reflection, the beams are recombined by the same optical system.

Inventors:
MORENO SORIANO IGNACIO (ES)
SANCHEZ LOPEZ MARÍA DEL MAR (ES)
COFRE HENRIQUEZ AARON (ES)
GARCIA MARTINEZ PASCUALA (ES)
CAMPOS COLOMA JUAN IGNACIO (ES)
Application Number:
ES2018/070718
Publication Date:
May 16, 2019
Filing Date:
November 06, 2018
Export Citation:
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Assignee:
UNIV MIGUEL HERNANDEZ (03202, ES)
UNIV VALENCIA (46010, ES)
UNIV BARCELONA AUTONOMA (08193, ES)
International Classes:
H01S3/10
Attorney, Agent or Firm:
JORDAN VIDAL, Manuel Miguel (Avda. de la Universidad s/n, Elche, Alicante, 03202, ES)
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Claims:
R E I V I N D I C A C I O N E S

Sistema láser con espectro digital sintonizable, sistema que comprende:

• una fuente (1 ) láser de súper-continuo, configurada para emitir luz láser de espectro continua entre las longitudes de onda 400 nm y 1800 nm, y

• un cubo divisor polarizante (3) ubicado a continuación del primer desfasador (9) y configurado para dividir el haz láser en dos haces, uno transmitido y uno reflejado, cada uno con respectivas polarizaciones lineales que son perpendiculares entre sí:

• un primer brazo que parte del cubo divisor polarizante (3) destinado a portar el haz transmitido y controlar la región visible (VIS) del espectro,

• un segundo brazo que parte del cubo divisor polarizante (3) destinado a portar el haz reflejado y controlar la región infrarroja cercana (NIR) del espectro,

• un segundo desfasador (4) de media onda acromático y un tercer desfasador (5) de media onda acromático, respectivamente situados en el haz transmitido y en el haz reflejado, destinados a reorientar la polarización de dichos dos haces,

• una primera red de difracción (61 ) y una segunda red de difracción (62) respectivamente asociadas a cada brazo y que actúan como elementos dispersivos para separar espacialmente las diferentes longitudes de onda de la luz incidente,

• una primera lente convergente acromática (71 ) y una segunda lente convergente acromática (72), respectivamente ubicadas a continuación de las respectivas redes de difracción (61 , 62) estando la primera lente convergente acromática ubicada a una distancia de la primera red de difracción (61 ) igual a la distancia focal de la primera lente convergente acromática y la segunda lente convergente acromática (72) ubicada a una distancia de la segunda red de difracción (62) igual a la distancia focal de la lente (72) de tal manera que se tienen rayos paralelos a la salida de cada lente convergente acromática (71 ,72), y

• un primer modulador (81 ) tipo SLM-LCOS, ubicado a continuación de la primera lente convergente acromática (71 ), y un segundo modulador (82) tipo SLM-LCOS, ubicado a continuación de la segunda lente convergente acromática (72), estando ambos controlados por una unidad de proceso (10) destinada a aplicar diferentes voltajes a los distintos píxeles de cada modulador (81 ,82), adaptados a reproducir la función espectral que se desea generar en el haz láser de salida,

donde el primer modulador (81 ) está adaptado al rango visible (VIS), y el segundo modulador (82) está adaptado al rango infrarrojo cercano (NIR).

Sistema láser con espectro digital sintonizable, según reivindicación 1 caracterizado por que adicionalmente comprende un polarizador (2) lineal que ubicado a la salida de la fuente (1 ) para polarizar dicha salida de tal manera que el láser de súper-continuo sea luz láser linealmente polarizada.

Sistema láser con espectro digital sintonizable, según reivindicación 2 caracterizado por que adicionalmente comprende un primer desfasador (9) de media onda acromático ubicado a la salida de: la fuente de luz (1 ) o del polarizador (2), configurado para orientar convenientemente la dirección de polarización de la luz del láser de súper-continuo generado por la fuente (1 ) y polarizado por el polarizador (2).

4. Sistema láser con espectro digital sintonizable, según reivindicación 3 caracterizado por que el primer desfasador (9) presenta un desfase de media onda en el rango espectral de 400 nm a 1800 nm. Sistema láser con espectro digital sintonizable, según reivindicación 3 o 4 caracterizado por que el primer desfasador (9) es un rombo de Fresnel de media onda.

Sistema láser con espectro digital sintonizable, según reivindicación 1 caracterizado por que las redes de difracción (61 , 62) son tipo "blazed" respectivamente configuradas para la luz visible y para la luz en el rango del infrarrojo cercano.

Description:
SISTEMA LASER CON ESPECTRO DIGITAL SINTONIZABLE

D E S C R I P C I O N OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención se enmarca en campo técnico de la física, más concretamente en el área de la óptica.

Más concretamente el objeto de la invención va dirigido a un sistema láser que genera un haz de luz láser de espectro continuo que puede ser filtrado de la manera que se requiera, de tal manera que se tiene un láser de espectro sintonizable a voluntad.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El uso de sistemas láser abarca múltiples aplicaciones de uso habitual. Las fuentes de radiación láser tienen una serie de limitaciones inherentes que hacen que, por ejemplo, se tenga que manipular la emisión generada en según qué aplicaciones, como es el caso en sistemas de iluminación hiperespectrales (sistemas con iluminación secuencial con diferentes longitudes de onda) que actualmente emplean diferentes filtros de color o en aplicaciones relacionadas con generación artificial de espectros de fuentes de luz conocidas, con el objetivo de realizar reconocimiento o sensado fotónico mediante correlación espectral; o simplemente para generar haces de luz con espectros arbitrarios, no existentes en las fuentes actuales.

En este sentido se tienen documentos que detallan sistemas ópticos como el descrito en /. Moreno, J. V. Camón. J. L. Martínez, P. Garcia-Martinez, M. M. Sánchez- López. J. Campos, "Optical retarder system with programmable spectral retardance", Optics Letters 39 (19), 5483-5486 (2014), sistema que está basado en un modulador espacial de luz (SLM, siglas en inglés de Spatial Light Modulator) de cristal líquido sobre silicio (LCOS, siglas en inglés de Liquid Crystal on Silicon). En este documento se detalla cómo el haz luminoso de entrada se dispersa espectralmente y se proyectan diferentes componentes espectrales sobre diferentes píxeles del modulador; posteriormente se aplica un retardo para cada píxel, el cual está adaptado a la longitud de onda entrante. La luz reflejada desde el SLM-LCOS es entonces recombinada por la misma configuración, pudiendo codificar un espectro de polarización programable. El sistema descrito proporciona generación de espectro de luz; no obstante, dicho sistema presenta limitaciones respecto a la generación sintonizable de espectros, limitaciones como la relacionada con la posibilidad de trabajar en un rango espectral limitado a una porción limitada del espectro visible, o aquellas limitaciones relacionadas con las fuertes pérdidas debidas a la división de la intensidad del haz de luz inicial, convirtiendo el citado sistema de Moreno et al. en un sistema altamente ineficiente y con poca potencia de salida. También se conoce el sistema descrito en Tasshi Dennis, John B. Schlager and Kris A. Bertness, "A Novel Solar Simulator Based on a Supercontinuum Láser for Solar Cell Device and Materials Characterization" IEEE Journal of Photovoltaics 4 (4), 1119-1127 (2014), el cual propone una fuente láser de súper-continuo para llevar a cabo un simulador solar donde es posible sintonizar el espectro. Sin embargo, en este documento no se detallan dispositivos opto-electrónicos tipo LCOS que actúan como espejos pixelados programables desde un ordenador, sino que se controla el espectro visible por medio de máscaras que tapan el paso de la luz a un espejo normal.

En WO2014159045A1 se detalla un sistema de conversión eficiente de luz no polarizada en luz polarizada, mediante sistemas compuestos de hologramas de fase geométrica y retardadores ópticos pixelados, para su uso en un proyector y en una unidad de iluminación de visión directa. El holograma de fase geométrica separa la luz en función de sus componentes de polarización circular, y el retardador pixelado convierte éstas en la misma polarización lineal. El documento presenta una fuente de luz, que puede ser LED o diodo láser, desfasadores, polarizadores lineales, divisor de onda polarizante; también se plantea que el holograma de fase geométrica pueda ser realizado mediante un dispositivo LCOS.

Finalmente, el solicitante también está al tanto de los desarrollos como el de dispositivo denominado Sun 3000 Solar Simulator el cual usa como fuente de iluminación una lámpara, la cual, en combinación con distintos filtros ópticos, recrea condiciones que permiten usarlo como un simulador solar. Al no usar como fuente una fuente láser de súper-continuo hace que no se trate de una luz direccionada y coherente, impidiendo que sea un haz muy directo que pueda ser focalizado fácilmente sobre la muestra que se desee ¡luminar. Además, esta implementación requiere de filtro adicional para realizar las operaciones de filtrado espectral, que en el objeto de la invención se hacen través de los moduladores LCOS; perdiendo de esta manera la capacidad de reprogramar diferentes máscaras de fase para no solamente reproducir el espectro solar, sino reproducir otros tipos de fuentes luminosas.

Se hace necesario por tanto un sistema que permita filtrar el espectro de un láser de súper-continuo a voluntad, dando así la posibilidad de generar una fuente láser con un contenido espectral diseñado digitalmente y que cubra longitudes de onda comprendidas tanto entre 450 nm y 750 nm como comprendidas entre 750 nm y 1800 nm. La extensión al rango infrarrojo cercano (NIR) es sumamente importante dadas las múltiples aplicaciones de la luz infrarroja en este rango en aplicaciones de comunicaciones ópticas, o aplicaciones biomédicas, entre otras.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El sistema objeto de la invención va dirigido al desarrollo de fuentes de luz láser con un espectro variable y seleccionable a voluntad, donde dicho espectro abarca tanto el rango visible (VIS) como el rango infrarrojo cercano (NIR), con lo cual el sistema de la invención también permite reproducir el espectro solar. El hecho de poder producir una luz láser que reproduce el espectro de la luz solar, incluyendo la extensión al rango NIR, permite producir un simulador solar, por lo que la invención es aplicable a simuladores solares a partir de una fuente de luz láser con espectro digital sintonizable. Por tanto, la característica principal del objeto de la invención es su capacidad de trabajo, a voluntad, de un láser de súper-continuo en un rango espectral que va desde longitudes de onda de alrededor de 400 nm hasta longitudes de onda de alrededor de 1800 nm.

Una de las características de la invención es la implementación de moduladores SLM-LCOS que permiten generar máscaras desde un ordenador y visualizarlas directamente en el modulador SLM-LCOS mediante la tarjeta gráfica del ordenador. Por tanto, obtenemos dos funcionalidades específicas que no puede alcanzarse implementando lo ya conocido en el estado del arte; por una parte el objeto de la invención permite controlar de forma mucho más precisa desde el ordenador las longitudes de onda filtradas en el sistema espectral, así como la intensidad o el estado de polarización de la luz que refleja; asimismo el control desde un ordenador permite generar máscaras de filtrado variables, incluso con cambio a velocidades de vídeo, lo que permite operaciones de filtrado espectral a alta velocidad controladas desde ordenador.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista esquemática del sistema de la invención.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

En una posible realización preferida de la invención mostrada en la figura 1 se tiene un sistema que comprende una fuente (1 ) láser de súper-continuo, que emite luz láser de espectro continuo entre las longitudes de onda 400 nm y 1800 nm

En una realización alternativa la luz láser de espectro continuo se hace llegar hasta un polarizador (2) lineal que está ubicado a la salida de la fuente (1 ) láser de súper-continuo de tal manera que se asegura que la salida del láser de súper- continuo sea luz láser linealmente polarizada.

Una vez se tiene polarizado el haz láser de súper-continuo, mediante un primer desfasador (9) de media onda acromático (AHWR, siglas en inglés de Achromatic Half-Wave Retarder) ubicado a la salida del láser en una realización preferente del objeto de la invención, o a la salida del polarizador (2) lineal en una posible realización alternativa del objeto de la invención, se procede a orientar a voluntad la dirección de polarización de la luz del láser de súper- continuo generada por la fuente (1 ). Este primer desfasador (9) preferentemente presenta un desfase de media onda en el rango espectral de 400 nm a 1800 nm, por lo que la opción más adecuada en esta posible realización es implementar un rombo de Fresnel de media onda con lo cual se asegura un desfase constante en todo el espectro.

De esta manera se tiene que el primer desfasador (9) de media onda acromático puede estar ubicado a la salida de la fuente de luz (1 ) o del polarizador (2), estando dicho primer desfasador (9) configurado para orientar convenientemente la dirección de polarización de la luz del láser de súper- continuo generado por la fuente (1 ) y polarizado por el polarizador (2).

La salida del primer desfasador (9) se divide mediante un cubo divisor polarizante (3), el cual es el encargado de dividir el haz láser en dos haces, uno transmitido y uno reflejado, teniendo cada uno su respectiva polarización lineal siendo estas perpendiculares entre sí (polarización horizontal y vertical respectivamente). La intensidad relativa de los dos haces a la salida del cubo divisor polarizante (3) se puede controlar mediante la polarización del haz incidente, que a su vez se controla mediante la orientación del citado primer desfasador (9). Este cubo divisor polarizante (3) permite además realizar la configuración óptica en reflexión mostrada en la figura 1 , lo cual permite tener una arquitectura óptica compacta. El haz transmitido se dirige hacia un primer brazo del sistema que controla la región visible (VIS) del espectro, mientras que el haz reflejado se dirige hacia un segundo brazo del sistema que controla la región infrarroja cercana (NIR) del espectro.

En aquellas realizaciones en las cuales el láser de súper-continuo no está polarizado, este primer desfasador (9) no es necesario. De esta manera se tiene que, si el láser de súper-continuo está polarizado, el primer desfasador (9), que es un desfasador de media onda acromático, se usa para controlar la intensidad relativa de los dos haces de salida de un cubo divisor (3), hasta alcanzar la situación en que el haz transmitido y el haz reflejado tengan la misma intensidad. Si el láser de súper-continuo no está polarizado este primer desfasador (9) de media onda acromático no es necesario, ya que directamente se cumple que los haces transmitido y reflejado por el cubo divisor (3) tienen la misma intensidad.

Un segundo desfasador (4) del tipo de media onda acromático (4) y un tercer desfasador (5) del tipo de media onda acromático, respectivamente situados en el haz transmitido y en el haz reflejado, permiten reorientar la polarización de estos dos haces para situarla a aproximadamente 45° de la dirección vertical mientras que una primera red de difracción (61 ) y una segunda red de difracción (62), respectivamente asociadas a cada brazo, actúan como elementos dispersivos (uno en cada brazo) para separar espacialmente las diferentes longitudes de onda de la luz incidente. Dado que se emplea la luz difractada al primer orden de difracción, en una posible realización preferente del objeto de la invención es preferible utilizar redes de difracción (61 , 62) de tipo "blazed" diseñadas respectivamente para la luz visible y para la luz en el rango del infrarrojo cercano respectivamente, ya que estas redes difractan en este orden de manera más eficiente.

Una primera lente convergente acromática (71 ) y una segunda lente convergente acromática (72) respectivamente ubicadas a continuación de las respectivas redes de difracción (61 , 62) estando ubicadas a distancia focal del punto de la red que se ilumina para obtener rayos paralelos a la salida de cada lente (71 ,72); mientras que a continuación de la primera lente convergente acromática (71 ) se tiene un primer modulador (81 ) tipo SLM-LCOS y a continuación de la segunda lente convergente acromática (72) se tiene un segundo modulador (82) tipo SLM-LCOS. Dichos moduladores (81 ,82) SLM- LCOS pueden ser dispositivos de alineamiento, ya sea girado (TN-SLM, del ing/és Twisted Nematic), paralelo (PAL-SLM, del inglés Paralel Aligned) o alineamiento vertical (VAN, del inglés Vertical Aligned); de manera preferida en el objeto de la invención se hace uso de dispositivos de alineamiento paralelo (PAL-SLM). Estos, son dispositivos optoelectrónicos pixelados que reflejan la luz, y además son desfasadores de cristal líquido, por lo que permiten aplicar voltajes diferentes a cada pixel del modulador (81 ,82) SLM-LCOS, y de este modo es posible controlar el estado de polarización de la luz reflejada desde un ordenador. Típicamente, los moduladores tipo SLM-LCOS tienen un número de píxeles del orden de 1000x1000 píxeles, cada uno de un tamaño aproximado de 10x10 micrómetros, por tanto, con un tamaño de pantalla de 1 x1 cm; modelos con pantallas mayores, o mayor número de píxeles, y de menor tamaño pueden encontrarse comercialmente y aplicarse a este sistema. Sin embargo, una característica común de estos dispositivos es que tienen un rango espectral limitado, por lo que se tienen dispositivos bien para el rango visible (VIS) o bien para el rango infrarrojo cercano (NIR) pero no para todo el rango VIS-NIR conjunto. Por ello, en una realización preferente del objeto de la invención se hace uso de dos dispositivos diferentes, un primer modulador (81 ) SLM-LCOS- VIS adaptado al rango visible (VIS), y un segundo modulador (82) SLM-LCOS- NIR adaptado al rango infrarrojo cercano (NIR).

Una vez modulada, la luz reflejada por los moduladores (81 ,82) recorre el sistema en sentido inverso, cada una en su respectivo brazo. En cada caso, la correspondiente lente (71 ,72) focaliza la luz reflejada sobre la red de difracción (61 ,62), y ésta reúne de nuevo todas las longitudes de onda en un haz único dirigido hacia el cubo divisor (3). El cubo (3) actúa como filtro polarizador lineal de salida. De este modo, si la luz reflejada por cada modulador (81 ,82) tiene la polarización alineada con la dirección del cubo (3), la luz saldrá en el haz de salida (láser de salida en la figura). En caso contrario, la luz no sale por el haz de salida. Esta operación se puede realizar de manera independiente para cada longitud de onda: para las componentes en el rango VIS la operación se realiza en el primer modulador (81) - SLM-LCOS-VIS, y para las componentes en el rango NIR la operación se realiza en el segundo modulador (82) -SLM-LCOS-NIR.

Esta configuración genera un haz de salida que es un haz láser de súper- continuo, pero cuyo contenido espectral (longitudes de onda presentes en el láser) es seleccionable a voluntad y de manera digital desde una unidad de proceso que controla los moduladores (81 ,82) espaciales de luz de cristal líquido sobre silicio que son moduladores de luz espacial (SLM) de silicio (LCOS) de cristal líquido pixelado. Todo ello permite abarcar todo el rango espectral VIS- NIR típico de un láser de súper-continuo (400-1800 nm).

Ambos moduladores (81 ,82) se controlan mediante respectivos controladores (91 ,92) asociados a una unidad de proceso (10) destinada a aplicar diferentes voltajes a los distintos pixeles de cada modulador (81 ,82), como puede ser un ordenador. De esta manera se tiene que la unidad de proceso (10) permite aplicar diferentes voltajes a los distintos pixeles de cada modulador (81 ,82) los cuales están adaptados a reproducir la función espectral que se desea generar en el haz láser de salida, teniendo el primer modulador (81 ) adaptado al rango visible (VIS), y el segundo modulador (82) al rango infrarrojo cercano (NIR).