ES2712323A1 - Sistema laser con espectro digital sintonizable - Google Patents

Abstract

Sistema láser con espectro digital sintonizable. El objeto de la presente invención permite un filtrado selectivo en todo el rango del espectro, incluyendo el espectro VIS y el NIR. Para ello se dispone de una configuración que hace uso de un cubo divisor polarizante, cubo divisor polarizante que es el encargado de dividir el haz láser en dos haces, uno transmitido y uno reflejado, teniendo respectivas polarizaciones lineales siendo estas perpendiculares entre sí. De dicho cubo parten dos brazos donde cada brazo porta respectivamente cada haz y opera en el rango VIS y en el rango NIR; el sistema se complementa con dos moduladores adaptados para trabajar en el rango VIS y en el rango NIR respectivamente. Los haces se reflejan y se modulan cada uno en un modulador espacial de luz de tipo cristal líquido sobre silicio (LCOS-SLM), y tras la reflexión se recombinan mediante el mismo sistema ópticos.

Description

SISTEMA LASER CON ESPECTRO DIGITAL SINTONIZABLE

D E S C R I P C I O N

OBJETO DE LA INVENCION

El objeto de la invencion se enmarca en campo tecnico de la flsica, mas concretamente en el area de la optica.

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

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

El uso de sistemas laser abarca multiples aplicaciones de uso habitual. Las fuentes de radiacion laser tienen una serie de limitaciones inherentes que hacen que, por ejemplo, se tenga que manipular la emision generada en segun que aplicaciones, como es el caso en sistemas de iluminacion hiperespectrales (sistemas con iluminacion secuencial con diferentes longitudes de onda) que actualmente emplean diferentes filtros de color o en aplicaciones relacionadas con generacion artificial de espectros de fuentes de luz conocidas, con el objetivo de realizar reconocimiento o sensado fotonico mediante correlation 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 opticos como el descrito en l. Moreno, J. V. Carrion. J. L. Martinez, P. Garcia-Martinez, M. M. Sanchez- Lopez. J. Campos, “Optical retarder system with programmable spectral retardance", Optics Letters 39 (19), 5483-5486 (2014), sistema que esta basado en un modulador espacial de luz (SLM, siglas en ingles de Spatial Light Modulator) de cristal llquido sobre silicio (LCOS, siglas en ingles de Liquid Crystal on Silicon). En este documento se detalla como el haz luminoso de entrada se dispersa espectralmente y se proyectan diferentes componentes espectrales sobre diferentes plxeles del modulador; posteriormente se aplica un retardo para cada pixel, el cual esta adaptado a la longitud de onda entrante. La luz reflejada desde el SLM-LCOS es entonces recombinada por la misma configuration, pudiendo codificar un espectro de polarizacion programable. El sistema descrito proporciona generacion de espectro de luz; no obstante, dicho sistema presenta limitaciones respecto a la generation sintonizable de espectros, limitaciones como la relacionada con la posibilidad de trabajar en un rango espectral limitado a una portion limitada del espectro visible, o aquellas limitaciones relacionadas con las fuertes perdidas debidas a la division 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. Tambien se conoce el sistema descrito en Tasshi Dennis, John B. Schlager and Kris A. Bertness, “A Novel Solar Simulator Based on a Supercontinuum Laser for Solar Cell Device and Materials Characterization” IEEE Journal of Photovoltaics 4 (4), 1119-1127 (2014), el cual propone una fuente laser de super-continuo para llevar a cabo un simulador solar donde es posible sintonizar el espectro. Sin embargo, en este documento no se detallan dispositivos opto-electronicos tipo LCOS que actuan como espejos pixelados programables desde un ordenador, sino que se controla el espectro visible por medio de mascaras que tapan el paso de la luz a un espejo normal.

En WO2014159045A1 se detalla un sistema de conversion eficiente de luz no polarizada en luz polarizada, mediante sistemas compuestos de hologramas de fase geometrica y retardadores opticos pixelados, para su uso en un proyector y en una unidad de iluminacion de vision directa. El holograma de fase geometrica separa la luz en funcion de sus componentes de polarization circular, y el retardador pixelado convierte estas en la misma polarizacion lineal. El documento presenta una fuente de luz, que puede ser LED o diodo laser, desfasadores, polarizadores lineales, divisor de onda polarizante; tambien se plantea que el holograma de fase geometrica pueda ser realizado mediante un dispositivo LCOS.

Finalmente, el solicitante tambien esta al tanto de los desarrollos como el de dispositivo denominado Sun 3000 Solar Simulator el cual usa como fuente de iluminacion una lampara, la cual, en combination con distintos filtros opticos, recrea condiciones que permiten usarlo como un simulador solar. Al no usar como fuente una fuente laser de super-continuo hace que no se trate de una luz direccionada y coherente, impidiendo que sea un haz muy directo que pueda ser focalizado facilmente sobre la muestra que se desee iluminar. Ademas, esta implementation requiere de filtro adicional para realizar las operaciones de filtrado espectral, que en el objeto de la invention se hacen traves de los moduladores LCOS; perdiendo de esta manera la capacidad de reprogramar diferentes mascaras 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 laser de super-continuo a voluntad, dando asi Ia posibilidad de generar una fuente laser con un contenido espectral disenado digitalmente y que cubra longitudes de onda comprendidas tanto entre 450 nm y 750 nm como comprendidas entre 750 nm y 1800 nm. La extension al rango infrarrojo cercano (NIR) es sumamente importante dadas las multiples aplicaciones de la luz infrarroja en este rango en aplicaciones de comunicaciones opticas, o aplicaciones biomedicas, entre otras.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

El sistema objeto de la invencion va dirigido al desarrollo de fuentes de luz laser 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 invencion tambien permite reproducir el espectro solar. El hecho de poder producir una luz laser que reproduce el espectro de la luz solar, incluyendo la extension al rango NIR, permite producir un simulador solar, por lo que la invencion es aplicable a simuladores solares a partir de una fuente de luz laser con espectro digital sintonizable.

Por tanto, la caracteristica principal del objeto de la invencion es su capacidad de trabajo, a voluntad, de un laser de super-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 caracteristicas de la invencion es la implementation de moduladores SLM-LCOS que permiten generar mascaras desde un ordenador y visualizarlas directamente en el modulador SLM-LCOS mediante la tarjeta grafica del ordenador. Por tanto, obtenemos dos funcionalidades espedficas que no puede alcanzarse implementando lo ya conocido en el estado del arte; por una parte el objeto de la invencion permite controlar de forma mucho mas precisa desde el ordenador las longitudes de onda filtradas en el sistema espectral, asi como la intensidad o el estado de polarization de la luz que refleja; asimismo el control desde un ordenador permite generar mascaras de filtrado variables, incluso con cambio a velocidades de video, lo que permite operaciones de filtrado espectral a alta velocidad controladas desde ordenador.

DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caractensticas de la invention, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha description, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista esquematica del sistema de la invention.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

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

En una realization alternativa la luz laser de espectro continuo se hace llegar hasta un polarizador (2) lineal que esta ubicado a la salida de la fuente (1) laser de supercontinuo de tal manera que se asegura que la salida del laser de super-continuo sea luz laser linealmente polarizada.

Una vez se tiene polarizado el haz laser de super-continuo, mediante un primer desfasador (9) de media onda acromatico (AHWR, siglas en ingles de Achromatic Half-Wave Retarder) ubicado a la salida del laser en una realization preferente del objeto de la invention, o a la salida del polarizador (2) lineal en una posible realization alternativa del objeto de la invention, se procede a orientar a voluntad la direction de polarization de la luz del laser de super-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 option mas adecuada en esta posible realization 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 acromatico 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 direction de polarization de la luz del laser de super-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 laser en dos haces, uno transmitido y uno reflejado, teniendo cada uno su respectiva polarizacion lineal siendo estas perpendiculares entre si (polarizacion horizontal y vertical respectivamente). La intensidad relativa de los dos haces a la salida del cubo divisor polarizante (3) se puede controlar mediante la polarizacion del haz incidente, que a su vez se controla mediante la orientation del citado primer desfasador (9). Este cubo divisor polarizante (3) permite ademas realizar la configuration optica en reflexion mostrada en la figura 1, lo cual permite tener una arquitectura optica compacta. El haz transmitido se dirige hacia un primer brazo del sistema que controla la region visible (VIS) del espectro, mientras que el haz reflejado se dirige hacia un segundo brazo del sistema que controla la region infrarroja cercana (NIR) del espectro.

En aquellas realizaciones en las cuales el laser de super-continuo no esta polarizado, este primer desfasador (9) no es necesario. De esta manera se tiene que, si el laser de super-continuo esta polarizado, el primer desfasador (9), que es un desfasador de media onda acromatico, se usa para controlar la intensidad relativa de los dos haces de salida de un cubo divisor (3), hasta alcanzar la situation en que el haz transmitido y el haz reflejado tengan la misma intensidad. Si el laser de super-continuo no esta polarizado este primer desfasador (9) de media onda acromatico 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 acromatico (4) y un tercer desfasador (5) del tipo de media onda acromatico, respectivamente situados en el haz transmitido y en el haz reflejado, permiten reorientar la polarizacion de estos dos haces para situarla a aproximadamente 45° de la direction vertical mientras que una primera red de difraccion (61) y una segunda red de difraccion (62), respectivamente asociadas a cada brazo, actuan 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 difraccion, en una posible realization preferente del objeto de la invention es preferible utilizar redes de difraccion (61, 62) de tipo "blazed" disenadas 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 mas eficiente.

Una primera lente convergente acromatica (71) y una segunda lente convergente acromatica (72) respectivamente ubicadas a continuacion de las respectivas redes de difraccion (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 continuacion de la primera lente convergente acromatica (71) se tiene un primer modulador (81) tipo SLM-LCOS y a continuacion de la segunda lente convergente acromatica (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 ingles Twisted Nematic), paralelo (PAL-SLM, del ingles Paralel Aligned) o alineamiento vertical (VAN, del ingles Vertical Aligned); de manera preferida en el objeto de la invencion se hace uso de dispositivos de alineamiento paralelo (PAL-SLM). Estos, son dispositivos optoelectronicos pixelados que reflejan la luz, y ademas son desfasadores de cristal llquido, 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 polarizacion de la luz reflejada desde un ordenador. Tlpicamente, los moduladores tipo SLM-LCOS tienen un numero de plxeles del orden de 1000x1000 plxeles, cada uno de un tamano aproximado de 10x10 micrometros, por tanto, con un tamano de pantalla de 1x1 cm; modelos con pantallas mayores, o mayor numero de plxeles, y de menor tamano pueden encontrarse comercialmente y aplicarse a este sistema. Sin embargo, una caracterlstica comun 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 VlS-NIR conjunto. Por ello, en una realization preferente del objeto de la invencion 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 difraccion (61,62), y esta reune de nuevo todas las longitudes de onda en un haz unico dirigido hacia el cubo divisor (3).

El cubo (3) actua como filtro polarizador lineal de salida. De este modo, si la luz reflejada por cada modulador (81,82) tiene la polarizacion alineada con la direccion del cubo (3), la luz saldra en el haz de salida (laser de salida en la figura). En caso contrario, la luz no sale por el haz de salida. Esta operacion se puede realizar de manera independiente para cada longitud de onda: para las componentes en el rango VIS la operacion se realiza en el primer modulador (81) - SLM-LCOS-VIS, y para las componentes en el rango NIR la operacion se realiza en el segundo modulador (82) -SLM-LCOS-NIR.

Esta configuration genera un haz de salida que es un haz laser de super-continuo, pero cuyo contenido espectral (longitudes de onda presentes en el laser) es seleccionable a voluntad y de manera digital desde una unidad de proceso que controla los moduladores (81,82) espaciales de luz de cristal llquido sobre silicio que son moduladores de luz espacial (SLM) de silicio (LCOS) de cristal llquido pixelado. Todo ello permite abarcar todo el rango espectral VlS-NIR tlpico de un laser de supercontinuo (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 plxeles 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 plxeles de cada modulador (81,82) los cuales estan adaptados a reproducir la funcion espectral que se desea generar en el haz laser de salida, teniendo el primer modulador (81) adaptado al rango visible (VIS), y el segundo modulador (82) al rango infrarrojo cercano (NIR).

Claims (6)

R E I V I N D I C A C I O N E S

1. Sistema laser con espectro digital sintonizable, sistema que comprende:

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

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

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

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

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

• una primera lente convergente acromatica (71) y una segunda lente convergente acromatica (72), respectivamente ubicadas a continuacion de las respectivas redes de difraccion (61, 62) estando la primera lente convergente acromatica ubicada a una distancia de la primera red de difraccion (61) igual a la distancia focal de la primera lente convergente acromatica y la segunda lente convergente acromatica (72) ubicada a una distancia de la segunda red de difraccion (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 acromatica (71,72), y

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

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

2. Sistema laser con espectro digital sintonizable, segun reivindicacion 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 laser de super-continuo sea luz laser linealmente polarizada.

3. Sistema laser con espectro digital sintonizable, segun reivindicacion 2 caracterizado por que adicionalmente comprende un primer desfasador (9) de media onda acromatico ubicado a la salida de: la fuente de luz (1) o del polarizador (2), configurado para orientar convenientemente la direccion de polarizacion de la luz del laser de super-continuo generado por la fuente (1) y polarizado por el polarizador (2).

4. Sistema laser con espectro digital sintonizable, segun reivindicacion 3 caracterizado por que el primer desfasador (9) presenta un desfase de media onda en el rango espectral de 400 nm a 1800 nm.

5. Sistema laser con espectro digital sintonizable, segun reivindicacion 3 o 4 caracterizado por que el primer desfasador (9) es un rombo de Fresnel de media onda.

6. Sistema laser con espectro digital sintonizable, segun reivindicacion 1 caracterizado por que las redes de difraccion (61, 62) son tipo "blazed" respectivamente configuradas para la luz visible y para la luz en el rango del infrarrojo cercano.