ES2900346T3

ES2900346T3 - Cristal no lineal

Info

Publication number: ES2900346T3
Application number: ES18715237T
Authority: ES
Inventors: Gareth Thomas Maker; Graeme Peter Alexander Malcolm
Original assignee: M Squared Lasers Ltd
Current assignee: M Squared Lasers Ltd
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2022-03-16
Anticipated expiration: 2038-02-21
Also published as: EP3586197B1; GB2559970A; US10890824B2; WO2018154297A1; GB201702840D0; CA3053704A1; US20200057356A1; JP7126508B2; EP3586197A1; JP2020508488A; GB2559970B

Abstract

Un cristal no lineal (24, 34) que comprende: una primera cara curva (25, 35) y una segunda cara curva opuesta (26, 36); un eje óptico (5) para un campo óptico fundamental (22) que incide sobre la primera cara curva (25, 35) en un ángulo Ψ con el eje óptico (5); y un eje de rotación (29, 39), en donde la rotación del cristal no lineal (24, 34) alrededor del eje de rotación (29, 39) permite el mantenimiento de una condición de coincidencia de fase dentro del cristal no lineal (24, 34), en donde un radio de curvatura de la primera (25, 35) y la segunda cara curva (26, 36) son iguales y centrados en el eje de rotación (29) para proporcionar el cristal no lineal (24, 34) con una simetría de rotación alrededor de al menos un eje del cristal no lineal (24, 24), y la primera cara curva (25) comprende una primera sección de una superficie curva de un cilindro circular recto y la segunda cara curva (26) comprende una segunda sección de una superficie curva de un cilindro circular recto, o la primera cara curva (35) comprende una primera sección de una esfera y la segunda cara curva (36) comprende una segunda sección de la esfera, en donde una normal (27, 37) a la primera cara curva (24, 34) se ubica en un ángulo de -ϑ con el eje óptico (5) y se elige de manera que |ϑ | + |Ψ| = Ángulo de Brewster (β) para el cristal no lineal (24, 34) y una normal (28, 38) a la segunda superficie curva (26, 36) se ubica en un ángulo de ϑ con el eje óptico (5) del cristal no lineal.

Description

DESCRIPCIÓN

Cristal no lineal

La presente invención se refiere al campo de la óptica no lineal y, en particular, a un nuevo diseño de cristal no lineal que encuentra una aplicación particular dentro de una cavidad de mezcla de frecuencia.

Antecedentes de la invención

Las propiedades ópticas no lineales de los cristales se han aprovechado durante muchos años para mezclar fotones de uno o más campos ópticos con el fin de generar un campo óptico de salida a una frecuencia o longitud de onda conocida deseada.

Un ejemplo de tal proceso es la mezcla de frecuencia de suma (SFM). Esta técnica se basa en la aniquilación de dos fotones de entrada a las frecuencias angulares w iy W2para generar un fotón a la frecuencia W3. La generación de frecuencia de suma es un proceso paramétrico que significa que los fotones satisfacen la conservación de energía, dejando la materia sin cambios, como se define por la ecuación (1) a continuación:

hü)3 « hoq hü)2 (1)

en donde

y h representa la constante de Planck

Para que la mezcla de frecuencia de suma se produzca de manera eficiente, se debe cumplir la condición, tal como se define por la ecuación (2), denominada concordancia de fase:

h k3 ~ h/q h k2 (2)

donde ki, k2y k3son los números de onda angulares de las tres ondas a medida que viajan a través del medio. A medida que esta condición se cumple cada vez con mayor precisión, la generación de frecuencia de suma se vuelve cada vez más eficiente. Además, a medida que la generación de frecuencia de suma se produce en una longitud cada vez más larga, la coincidencia de fase se debe volver cada vez más precisa.

Un caso especial de SFM es la generación de segundo armónico (SHG) en el que wi = W2. Este es posiblemente el tipo más común de SFM. Esto se debe a que en la SHG, sólo se requiere un campo de entrada, en comparación con la SFM, donde si wi # W2y, por tanto, se necesitan dos campos de entrada simultáneos que pueden ser más difíciles de disponer.

Como un proceso alternativo a la SFM conocido en la técnica es la mezcla de frecuencia diferencial (DFM). Este es un proceso no lineal que implica combinar dos fotones de diferentes energías para producir un tercer fotón cuya energía es igual a la diferencia entre aquellas de los fotones incidentes, como se define por la ecuación (3) a continuación:

hü)3 « h o q - hü)2 (3)

en donde

y h representa la constante de Planck

Para que la DFM ocurra de manera eficiente, se debe cumplir la siguiente condición de coincidencia de fase definida por la ecuación (4):

h/c3 « h/q ^- h ^{k 2} (4)

donde ki, k2y k3 son de nuevo los números de onda angulares de las tres ondas a medida que viajan a través del medio.

Otros procesos de mezcla de frecuencia conocidos en la técnica incluyen mezcla de tercer armónico (THM), alta generación de armónicos (HHG) y amplificación paramétrica óptica (OPA) y conversión descendente.

Al elegir un cristal no lineal para un sistema, se debe hacer una elección del corte de cristal a emplear, es decir, cómo se cortarán las caras de los extremos del cristal no lineal. Generalmente, existen dos cortes diferentes empleados en la técnica para cristales no lineales: un corte en ángulo recto i, como se presenta esquemáticamente en la Figura i(a) y un corte en ángulo Brewster 2, como se presenta esquemáticamente en la Figura 1(b). Los ejes se proporcionan dentro de la Figura 1 para ayudar con la claridad de comprensión.

El cristal no lineal cortado en ángulo recto 1 de la Figura 1(a) tiene sus caras pulidas 3 y 4 perpendiculares al eje óptico 5 del cristal no lineal 1 mientras que el cristal no lineal cortado en ángulo Brewster 2 de la Figura 1(b) tiene sus caras 6 y 7 ubicadas en el ángulo de Brewster (p) entre el vector normal 8 de las caras pulidas 6 y 7 y el eje óptico 5. En el ángulo de Brewster (p), la reflectancia de la superficie de las caras 6 y 7 es cero para la luz con polarización dentro del plano definido por los ejes x e y (también definido como luz p-polarizada).

Aunque los cristales no lineales cortados en ángulo recto 1 son generalmente más fáciles de fabricar que los cristales no lineales cortados en ángulo Brewster 2, su uso conduce a mayores pérdidas de transmisión. Estas pérdidas se aumentan cuando los cristales no lineales cortados en ángulo recto 1 se emplean con un resonador óptico, como suele ser el caso. Por esta razón, a menudo se aplican recubrimientos antirreflectantes, de alta reflexión o reflectantes parciales a las caras pulidas 3 y 4. Sin embargo, los cristales no lineales cortados en ángulo recto 1 son más limitados en su uso dentro de aplicaciones de alta potencia, especialmente de pulso corto, ya que los recubrimientos aplicados al cristal 1 generalmente tienen umbrales de daño más bajos que las caras sin recubrimiento 6 y 7 de los cristales cortados en ángulo Brewster 2.

Como con cualquier segundo orden x(2), o un fenómeno de orden superior en la óptica no lineal, los procesos no lineales sólo pueden ocurrir bajo ciertas condiciones predefinidas, por ejemplo, la luz está interactuando con la materia, la cual no es centro-simétrica y los campos de entrada tienen una intensidad muy alta (usualmente generada por una fuente láser). Los requisitos de coincidencia de fase de las ecuaciones (2) y (4) significan que la frecuencia, o longitud de onda, de los campos de salida generados se puede cambiar mediante el ajuste coordinado tanto de la longitud de onda del campo de entrada como de la posición del medio no lineal. El cambio de posición del medio no lineal se logra usualmente mediante la rotación o traslación del cristal no lineal dentro de los campos de entrada.

A manera de ejemplo, la Figura 2 presenta una representación esquemática de un doblador de frecuencia de cavidad externa, representado generalmente por el numeral de referencia 9, que incorpora el cristal cortado en ángulo Brewster 2. El SolsTis® ECD-X, propiedad del solicitante, es un ejemplo adecuado de tal doblador de frecuencia de cavidad externa 9. Como se puede ver en la Figura 2, el cristal cortado en ángulo de Brewster 2, que puede estar formado a partir de BBO (Beta borato de bario (BaB2O4)) o LBO (triborato de litio (LiBaOs)), se encuentra dentro de una cavidad anular definida por un primer espejo 10, un acoplador de salida 11, un acoplador de entrada 12 y un segundo espejo 13. El doblador de frecuencia de cavidad externa 9 usa una mejora resonante para convertir la frecuencia de salida de una fuente láser, de onda continua, de ancho de línea estrecho 14, tal como un láser Ti:Zafiro de onda continua, para producir un campo de salida de frecuencia doblada 15.

El ajuste de la frecuencia del campo de salida 15 generado por el doblador de frecuencia de cavidad externa 9 se puede lograr ajustando la longitud de onda del campo de entrada 14 y rotando el cristal cortado en ángulo Brewster 2 alrededor del eje 16 para permitir el mantenimiento de la condición de coincidencia de fase de la ecuación (2). En el ejemplo actualmente descrito, el cristal cortado en ángulo de Brewster 2 se encuentra sustancialmente dentro del plano definido por los ejes x e y mientras que el eje de rotación 16 también se encuentra en este plano y forma un ángulo agudo con el eje y.

Como se conoce en la técnica, cuando se emplea la rotación de un cristal no lineal 1 o 2 dentro de un proceso de ajuste de frecuencia, se experimenta una desviación correspondiente de la dirección de propagación del campo óptico que sale del cristal no lineal 1 o 2. Esta desviación se debe a los efectos de la refracción dentro del cristal no lineal 1 o 2. Esta desviación del campo de salida 15 es problemática para el desarrollo de dispositivos comerciales basados en resonadores, ya que requiere que se incorpore una realineación automatizada en el diseño de estos sistemas.

Una solución conocida en la técnica es incorporar una placa óptica dentro de la cavidad del resonador que se controla por la electrónica de servocontrol para que gire automáticamente de manera que compense la desviación introducida por la rotación del cristal no lineal 1 o 2. Sin embargo, tales soluciones tienen la desventaja de que resultan en un aumento de las pérdidas ópticas internas dentro de la cavidad del resonador y un aumento de las pérdidas experimentadas por la luz generada por el proceso no lineal. Estas soluciones también actúan para aumentar la huella general del sistema.

Una solución alternativa, como la empleada por el doblador de frecuencia de cavidad externa 9 de la Figura 2, es emplear electrónica de servocontrol (no mostrada) para realinear automáticamente cada uno de los espejos de cavidad 10, 11, 12 y 13 como el cristal cortado en ángulo Brewster 2 se gira. Aunque es una buena solución al problema de la desviación del haz, el empleo de tal electrónica de servocontrol es significativamente más complejo y, por tanto, más costoso que aquellas soluciones descritas anteriormente basadas en la incorporación de una placa óptica adicional dentro de la cavidad del resonador y también resultan en una desviación espacial significativa del haz generado no lineal. El documento US 5095491 describe un cristal no lineal usado como doblador de frecuencia.

Por lo tanto, un objeto de una modalidad de la presente invención es obviar o al menos mitigar las desventajas anteriores de los métodos y aparatos conocidos en la técnica para ajustar la frecuencia del campo de salida generado por un cristal no lineal.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un cristal no lineal que comprende una primera cara curva y una segunda cara curva opuesta; un eje óptico para un campo óptico fundamental que incide sobre la primera cara curva en un ángulo ^ con el eje óptico (5); y un eje de rotación, en donde la rotación del cristal no lineal alrededor del eje de rotación permite el mantenimiento de una condición de coincidencia de fase dentro del cristal no lineal, en donde un radio de curvatura de la primera y la segunda cara curva son iguales y centrados en el eje de rotación para proporcionar al cristal no lineal una simetría rotacional alrededor de al menos un eje del cristal no lineal, y

la primera cara curva comprende una primera sección de una superficie curva de un cilindro circular recto y la segunda cara curva comprende una segunda sección de una superficie curva de un cilindro circular recto, o la primera cara curva comprende una primera sección de una esfera y la segunda cara curva comprende una segunda sección de la esfera,

en donde una normal a la primera cara curva se ubica en un ángulo de -9 con el eje óptico y se elige de manera que |9| |^ | = Ángulo de Brewster (p) para el cristal no lineal, y una normal a la segunda superficie curva se ubica en un ángulo de 9 con el eje óptico del cristal no lineal.

La disposición anterior permite el ajuste de la frecuencia de un campo óptico generado que se genera al propagar un campo óptico fundamental a través del cristal no lineal mediante el ajuste coordinado de la longitud de onda del campo óptico de entrada y la rotación del cristal no lineal alrededor del eje de rotación, sin que se introduzca ninguna desviación sustancial, o mínima, en el campo óptico generado.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un doblador de frecuencia de cavidad externa que comprende un cristal no lineal de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención.

El ajuste de la frecuencia de un campo de salida generado por el doblador de frecuencia de cavidad externa se puede lograr ajustando la longitud de onda de un campo de entrada y rotando el cristal no lineal alrededor del eje de rotación. Como resultado de la simetría rotacional del cristal no lineal alrededor del eje de rotación, el ajuste de la frecuencia del campo de salida generado por la frecuencia de la cavidad externa se logra sin niveles de desviación significativos, o mínimos, experimentados por el campo de salida. Como resultado, el doblador de frecuencia de cavidad externa descrito no requiere el empleo de ópticas de compensación óptica o electrónica de servocontrol para realinear automáticamente cada uno de los espejos de cavidad.

Las modalidades del segundo aspecto de la invención pueden comprender características para implementar las características preferentes u opcionales del primer aspecto de la invención o viceversa.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona un mezclador de frecuencia de cavidad externa que comprende un cristal no lineal de acuerdo con el primer aspecto de la presente invención.

Las modalidades del tercer aspecto de la invención pueden comprender características para implementar las características preferentes u opcionales del primer aspecto de la invención o viceversa.

De acuerdo con un cuarto aspecto de la presente invención, se proporciona un método para producir un cristal no lineal de acuerdo con el primer aspecto de la invención en donde el método comprende realizar uno o más procedimientos de procesamiento en un cristal grueso, el uno o más procedimientos de procesamiento seleccionados del grupo de procedimientos de procesamiento que comprenden cortar, moldear y pulir el cristal grueso.

Las modalidades del cuarto aspecto de la invención pueden comprender características para implementar las características preferentes u opcionales del primer aspecto de la invención o viceversa.

Breve descripción de los dibujos

Se describirán ahora, sólo a manera de ejemplo, diversas modalidades de la invención con referencia a los dibujos, en los cuales:

La Figura 1 presenta: (a) una representación esquemática de un cristal no lineal cortado en ángulo recto conocido en la técnica; y (b) una representación esquemática de un cristal no lineal cortado en ángulo Brewster conocido en la técnica;

La Figura 2 presenta una representación esquemática de un doblador de frecuencia de cavidad externa conocido en la técnica;

La Figura 3 presenta (a) una vista en perspectiva y (b) una vista lateral de un cristal no lineal;

La Figura 4 presenta (a) una vista en perspectiva; (b) una vista posterior en perspectiva; (c) una vista superior; y (d) una vista lateral a lo largo de la línea b-b de la Figura 4(c), de un cristal no lineal de acuerdo con una modalidad de la presente invención;

La Figura 5 presenta (a) una vista en perspectiva; (b) una vista posterior en perspectiva; (c) una vista superior; y (d) una vista lateral, de un cristal no lineal;

La Figura 6 presenta (a) una vista en perspectiva; (b) una vista posterior en perspectiva; (c) una vista superior; y (d) una vista lateral a lo largo de la línea b-b de la Figura 6 (c), de un cristal no lineal de acuerdo con una modalidad alternativa adicional de la presente invención;

La Figura 7 presenta una representación esquemática de un doblador de frecuencia de cavidad externa que incorpora el cristal no lineal de la Figura 3.

En la descripción que sigue, las partes similares se marcan a lo largo de la especificación y de los dibujos con los mismos numerales de referencia. Las figuras no están necesariamente a escala y las proporciones de ciertas partes se han exagerado para ilustrar mejor los detalles y características de las modalidades de la invención.

Descripción detallada

Diversas modalidades de un cristal no lineal se describirán ahora con referencia a las Figuras 3 a 6. Los cristales no lineales descritos pueden formarse a partir de BBO (Beta borato de bario (BaB2O4)) o LBO (triborato de litio (LiBaOs)) o de otro material no lineal conocido. Se han proporcionado de nuevo ejes dentro de estas figuras para facilitar la referencia con el eje x estando alineado con el eje óptico 5 del cristal no lineal descrito.

La Figura 3 presenta (a) una vista en perspectiva y (b) una vista lateral, de un cristal no lineal 17. Se puede ver que el cristal no lineal 17 comprende una primera cara curva 18 y una segunda cara curva 19 ubicadas en lados opuestos del cristal no lineal 17. En la Figura 3(b) se puede ver que la primera 18 y la segunda cara curva 19 comprenden dos secciones diametralmente opuestas de una superficie curva de un cilindro circular recto 20, es decir, el radio de curvatura de la primera 18 y la segunda cara curva 19 son ambos iguales y centrados en un eje 21 (que es paralelo al eje y) del cilindro circular recto 20. Como se apreciará por el lector experto, la disposición anterior proporciona al cristal no lineal 17 una simetría rotacional doble alrededor del eje 21. Cabe señalar que el cristal no lineal 17 comprende además una simetría doble alrededor del eje óptico o x así como también una simetría doble alrededor del eje z.

Se apreciará que se pueden aplicar revestimientos antirreflectantes a la primera 18 y/o la segunda cara curva 19 para mejorar el funcionamiento no lineal del cristal no lineal 17.

En la Figura 3(a), un campo óptico fundamental 22 a 800 nm, que tiene una polarización lineal paralela al eje 21 del cilindro de sección transversal circular 20 (y por tanto el eje y), se muestra incidente sobre la primera cara curva 18 del cristal no lineal 17 para propagarse a lo largo del eje óptico 5 (eje x) del cristal no lineal 17. Las propiedades no lineales del cristal 17 resultan en la generación de un segundo campo óptico armónico 23 a 400 nm que sale del cristal no lineal 17 a través de la segunda cara curva 19. El segundo campo óptico armónico 23 tiene una polarización lineal paralela al eje z.

Como se describió anteriormente, el ajuste de la frecuencia del segundo campo óptico armónico 23 se puede lograr ajustando la longitud de onda del campo óptico fundamental 22 y rotando el cristal no lineal 17 alrededor del eje 21 para permitir el mantenimiento de la condición de coincidencia de fase deseada. De manera significativa, dado que el cristal no lineal 17 exhibe simetría rotacional alrededor del eje 21, el ajuste de la frecuencia del segundo campo óptico armónico 23 se logra sin que se introduzcan niveles de desviación significativos, o mínimos.

Se apreciará por el lector experto que debido a que la primera 18 y la segunda cara curva 19 del cristal no lineal 17 no se orientan en el ángulo de Brewster, entonces el campo óptico fundamental 22, y por lo tanto el segundo campo óptico armónico generado 23, se pueden disponer en sentido contrario al descrito con referencia a la Figura 3.

Aunque el cristal no lineal 17 mostrado en la Figura 3 tiene una simetría rotacional doble alrededor del eje 21, se apreciará que en modalidades alternativas el orden de simetría rotacional se podría incrementar. Por ejemplo, si el cristal no lineal comprende un cilindro circular recto completo (es decir, la primera y la segunda superficie curva del cristal no lineal 17 se extiende más de 360°, por ejemplo formando un disco), entonces el cristal no lineal sería infinitamente simétrico rotacionalmente alrededor del eje 21.

La Figura 4 presenta (a) una vista en perspectiva; (b) una vista posterior en perspectiva de la sección marcada con un círculo en (a); (c) una vista superior; y (d) una vista lateral a lo largo de la línea b-b de la Figura 4(c), respectivamente, de un cristal no lineal 24 de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Al igual que con el cristal no lineal 17 de la Figura 3, se puede ver que el cristal no lineal 24 comprende una primera cara curva 25 y una segunda cara curva 26 ubicadas en lados opuestos del cristal no lineal 24. La primera cara curva 25 y la segunda cara curva 26 comprenden ambas una sección de una superficie curva de un cilindro circular recto.

En la Figura 4(c) se puede ver que la primera cara curva 25 se dispone de manera que una normal 27 a esta superficie forma un ángulo de -O con el eje óptico 5 dentro del cristal no lineal 24 (es decir, el eje x). De manera similar, la segunda cara curva 26 se dispone de manera que una normal 28 a esta superficie está en un ángulo de O con el eje óptico 5 dentro del cristal no lineal 24 (eje x) del cristal no lineal 24. El radio de curvatura de la primera 25 y la segunda cara curva 26 nuevamente son iguales y se encuentran sobre un eje común 29, este eje 29 también se ubica en un ángulo de O con respecto al eje óptico 5 (es decir, el eje x). Se apreciará por el lector experto en la Figura 4(d), que la disposición anterior proporciona al cristal no lineal 24 una simetría rotacional doble alrededor del eje z.

En la Figura 4(a) y 4(c), el campo óptico fundamental 22 a 800 nm y que tiene una polarización lineal en el plano x-y se muestra incidente sobre la primera cara curva 25 del cristal no lineal 24 en un ángulo de ^ con la óptica eje 5 (eje x). Los ángulos -O y ^ se eligen de manera que:

|0| |Y| = P (5)

donde p nuevamente representa el ángulo de Brewster.

Con esta disposición, cuando el campo óptico fundamental 22 se propaga a lo largo del eje óptico 5 (eje x) del cristal no lineal 24, las propiedades no lineales del cristal 24 resultan en la generación de un segundo campo óptico armónico 23 a 400 nm que sale del cristal no lineal 24 a través de la segunda cara curva 26. El segundo campo óptico armónico 23 tiene una polarización lineal paralela al eje z.

El ajuste de la frecuencia del segundo campo óptico armónico 23 se puede lograr ajustando la longitud de onda del campo óptico fundamental 22 y rotando el cristal no lineal 24 alrededor del eje de rotación 29 para permitir el mantenimiento de la condición de coincidencia de fase deseada. De manera significativa, el ajuste de la frecuencia del segundo campo óptico armónico 23 se logra de nuevo sin que se introduzca una desviación significativa o mínima. La Figura 5 presenta (a) una vista en perspectiva; (b) una vista posterior en perspectiva de la sección marcada con un círculo en (a); (c) una vista superior; y (d) una vista lateral, respectivamente, de un cristal no lineal 30. Al igual que con los cristales no lineales 17 y 24 descritos anteriormente, se puede ver que el cristal no lineal 30 comprende una primera cara curva 31 y una segunda cara curva 32 ubicadas en lados opuestos del cristal no lineal 30. En esta modalidad, la primera 31 y la segunda cara curva 32 comprenden ambas secciones de una esfera, que tienen radios de curvatura iguales y que comparten un centro común. La disposición anterior proporciona al cristal no lineal 30 una simetría rotacional doble alrededor del eje 33. Se observa que el cristal no lineal 30 comprende una simetría cuádruple alrededor del eje óptico o x así como también una simetría doble alrededor del eje z. El cristal no lineal 30 se podría hacer infinitamente simétrico rotacionalmente alrededor del eje óptico o x y del eje z si comprendiera una esfera completa.

Se apreciará que se pueden aplicar revestimientos antirreflectantes a la primera 31 y/o la segunda cara curva 32 para mejorar el funcionamiento no lineal del cristal no lineal 30.

En la Figura 5(a) y 5(c), el campo óptico fundamental 22 a 800 nm, que tiene una polarización lineal paralela al eje de rotación 33 (y por tanto el eje y), se muestra incidente sobre la primera cara curva 31 del cristal no lineal 30 de modo que se propaga a lo largo del eje óptico 5 (eje x) del cristal no lineal 30. Las propiedades no lineales del cristal 30 resultan nuevamente en la generación de un segundo campo óptico armónico 23 a 400 nm que sale del cristal no lineal 30 a través de la segunda cara curva 32. El segundo campo óptico armónico 23 tiene una polarización lineal paralela al eje z.

El ajuste de la longitud de onda del campo óptico fundamental 22 mientras se gira el cristal no lineal 30 alrededor del eje de rotación 33 proporciona un medio para ajustar la frecuencia del segundo campo óptico armónico 23 sin que se introduzca ninguna desviación significativa o mínima en el segundo campo óptico armónico 23.

Se apreciará por el lector experto que debido a que la primera 31 y la segunda cara curva 32 del cristal no lineal 30 no se orientan en el ángulo de Brewster, entonces el campo óptico fundamental 22, y por lo tanto el segundo campo óptico armónico generado 23, se pueden disponer en sentido contrario al descrito con referencia a la Figura 5. La Figura 6 presenta (a) una vista en perspectiva; (b) una vista posterior en perspectiva de la sección marcada con un círculo en (a); (c) una vista superior; y (d) una vista lateral a lo largo de la línea b-b de la Figura 6(c), respectivamente, de un cristal no lineal 34 de acuerdo con una modalidad alternativa adicional de la presente invención. Se puede ver que el cristal no lineal 34 comprende una primera cara curva 35 y una segunda cara curva 36 ubicadas en lados opuestos del cristal no lineal 34. En esta modalidad, la primera cara curva 35 y la segunda cara curva 36 comprenden ambas una sección de una esfera.

En la Figura 6(c) se puede ver que la primera cara curva 35 se dispone de manera que una normal 37 a esta superficie forma un ángulo de -O con el eje óptico 5 dentro del cristal no lineal 34 (es decir, el eje x). De manera similar, la segunda cara curva 36 se dispone de manera que una normal 38 a esta superficie forma un ángulo de O con el eje óptico 5 dentro del cristal no lineal 24 (es decir, el eje x). El radio de curvatura de la primera 35 y la segunda cara curva 36 son nuevamente iguales y se encuentran sobre un eje común 39, este eje 39 estando ubicado en un ángulo de O con el eje óptico 5 (eje x). Se apreciará por el lector experto en la Figura 6(d) que la disposición anterior proporciona al cristal no lineal 34 una simetría rotacional doble alrededor del eje z.

En la Figura 6(a) y 6(c), el campo óptico fundamental 22 a 800 nm y que tiene una polarización lineal en el plano x-y se muestra incidente sobre la primera cara curva 25 del cristal no lineal 34 en un ángulo de ^ con el eje óptico 5 dentro del cristal no lineal 24 (es decir, el eje x). De manera similar a la descrita anteriormente, los ángulos -O y ^ se eligen preferentemente de manera que satisfagan la ecuación 1.

Con esta disposición, cuando el campo óptico fundamental 22 se propaga a lo largo del eje óptico 5 (eje x) del cristal no lineal 34, las propiedades no lineales del cristal 34 resultan en la generación del segundo campo óptico armónico 23 a 400 nm que sale del cristal no lineal 34 a través de la segunda cara curva 36. El segundo campo óptico armónico 23 tiene una polarización lineal paralela al eje z.

El ajuste de la longitud de onda del campo óptico fundamental 22 mientras se gira el cristal no lineal 34 alrededor del eje de rotación 39 proporciona nuevamente un medio para ajustar la frecuencia del segundo campo óptico armónico 23 sin que se introduzca una desviación significativa o mínima en el segundo campo óptico armónico 23.

La Figura 7 presenta una representación esquemática de un doblador de frecuencia de cavidad externa, representado generalmente por el numeral de referencia 40, que incorpora el cristal no lineal 17 de la Figura 3. De manera similar al doblador de frecuencia de cavidad externa 9 como se describió anteriormente con referencia a la Figura 2, el cristal no lineal 17 se ubica dentro de una cavidad anular definida por un primer espejo 10, un acoplador de salida 11, un acoplador de entrada 12 y un segundo espejo 13. El doblador de frecuencia de cavidad externa 40 usa de nuevo una mejora resonante para convertir la frecuencia de salida de una fuente láser de ancho de línea estrecho de onda continua 14, tal como un láser Ti:Zafiro de onda continua, para producir un campo de salida de frecuencia doblada 15.

El ajuste de la frecuencia del campo de salida 15 generado por el doblador de frecuencia de cavidad externa 40 se puede lograr ajustando la longitud de onda del campo de entrada 14 y rotando el cristal no lineal 17 alrededor del eje 21, como se describió anteriormente. En el ejemplo actualmente descrito, el cristal no lineal 17 se encuentra sustancialmente dentro del plano definido por los ejes x e y mientras que el eje de rotación 21 es sustancialmente paralelo al eje y.

Como resultado, el ajuste de la frecuencia del campo de salida 15, generada por el doblador de frecuencia de cavidad externa 40 mediante el ajuste coordinado de la longitud de onda del campo óptico de entrada 14 y la posición de rotación del cristal no lineal 17 alrededor del eje 21, se logra sin que se experimente una desviación significativa o mínima por el campo de salida 15. De manera significativa, no existe necesidad de que el doblador de frecuencia de cavidad externa 40 incorpore una placa óptica dentro de la cavidad del resonador que se controle por la electrónica de servocontrol o que emplee la electrónica de servocontrol para realinear automáticamente cada uno de los espejos de cavidad 10, 11, 12 y 13 como el cristal no lineal 17. Como resultado, el doblador de frecuencia de cavidad externa 40 exhibe un diseño más simple, que es más estable y más económico de producir, en comparación con los sistemas conocidos en la técnica.

En esta modalidad, se puede ver que el eje de rotación 21 coincide con un eje de simetría rotacional del cristal no lineal 17, es decir, específicamente el eje y. Este sería también el caso si el cristal no lineal 30 de la Figura 5 se empleara dentro del doblador de frecuencia de cavidad externa 40.

Sin embargo, si el cristal no lineal 24 de la Figura 4, o el cristal no lineal 34 de la Figura 6, se emplean dentro del doblador de frecuencia de cavidad externa 40, entonces los ejes de rotación asociados 24 y 29 no coinciden con el eje de simetría rotacional de los cristales no lineales 24 y 34, es decir, el (eje z). En su lugar, los ejes de rotación 24 y 29 se desplazan en un ángulo de -O con respecto al eje y asociado del cristal no lineal 24 y 34.

Siempre que los cristales no lineales asociados 24, 30 o 34 giren alrededor de su eje asociado 29, 33 o 39, respectivamente, entonces el ajuste de la frecuencia del campo de salida 15 generado por el doblador de frecuencia de cavidad externa 40 se puede lograr sin que se experimente ninguna desviación significativa o mínima que por el campo de salida 15.

Aunque el doblador de frecuencia de cavidad externa descrito anteriormente se basa en procesos de mezcla no lineal de segunda generación de armónicos, será evidente para el lector experto que el cristal no lineal descrito se puede emplear con otros sistemas de mezcla de frecuencia que emplean otros procesos no lineales conocidos en la técnica, que incluyen: mezcla de frecuencia de suma más general (SFM); mezcla de frecuencia diferencial (DFM); tercera mezcla armónica (THM); alta generación de armónicos (HHG) y amplificación paramétrica óptica (OPA) y conversión descendente. Además, los cristales descritos no necesitan emplearse dentro de un resonador o sistema basado en cavidades, sino que se pueden emplear en sistemas alternativos basados en una única pasada del campo fundamental o de entrada.

Se apreciará que los cristales no lineales descritos anteriormente se pueden producir a partir de un cristal grueso empleando una o más técnicas conocidas de procesamiento de cristales. Por ejemplo, la producción de cristales no lineales puede emplear una o más técnicas de procesamiento de corte, moldeado o pulido.

Se describe un cristal no lineal que comprende una primera cara curva y una segunda cara curva opuesta. La primera y segunda cara curva se disponen para proporcionar el cristal no lineal con una simetría rotacional alrededor de al menos un eje del cristal no lineal. El cristal no lineal permite el ajuste de la frecuencia de un campo óptico generado que se genera al propagar un campo óptico fundamental a través del cristal no lineal mediante la rotación del cristal no lineal alrededor de un eje de rotación sin que se introduzca ninguna desviación significativa o mínima en el campo óptico generado. Por lo tanto, estos cristales no lineales se pueden incorporar en un mezclador o doblador de frecuencia de cavidad externa sin necesidad de emplear componentes ópticos de compensación óptica o electrónica de servocontrol para realinear automáticamente los espejos de la cavidad.

A lo largo de esta descripción, a menos que el contexto demande lo contrario, el término "comprender" o "incluir" o las variaciones tales como "comprende" o "que comprende", incluye" o "que incluye" se entenderán para implicar la inclusión de un entero declarado o grupo de enteros pero no la exclusión de ningún otro entero o grupo de enteros.

Además, la referencia a cualquier técnica anterior en la descripción no se debe tomar como una indicación de que la técnica anterior forma parte del conocimiento general común.

La descripción anterior de la invención se ha presentado para propósitos de ilustración y descripción, y no se destina a ser exhaustiva o a limitar la invención a la forma precisa divulgada. Las modalidades descritas se seleccionaron y describieron con el fin de explicar mejor los principios de la invención y sus aplicaciones prácticas, para de esta manera permitir a otros expertos en la técnica utilizar mejor la invención en diversas modalidades y con diversas modificaciones cuando se adecuan al uso particular contemplado. Por lo tanto, se pueden incorporar modificaciones o mejoras adicionales sin apartarse del alcance de la invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

Un cristal no lineal (24, 34) que comprende:

una primera cara curva (25, 35) y una segunda cara curva opuesta (26, 36);

un eje óptico (5) para un campo óptico fundamental (22) que incide sobre la primera cara curva (25, 35) en un ángulo ^ con el eje óptico (5); y

un eje de rotación (29, 39), en donde la rotación del cristal no lineal (24, 34) alrededor del eje de rotación (29, 39) permite el mantenimiento de una condición de coincidencia de fase dentro del cristal no lineal (24, 34),

en donde un radio de curvatura de la primera (25, 35) y la segunda cara curva (26, 36) son iguales y centrados en el eje de rotación (29) para proporcionar el cristal no lineal (24, 34) con una simetría de rotación alrededor de al menos un eje del cristal no lineal (24, 24), y la primera cara curva (25) comprende una primera sección de una superficie curva de un cilindro circular recto y la segunda cara curva (26) comprende una segunda sección de una superficie curva de un cilindro circular recto, o

la primera cara curva (35) comprende una primera sección de una esfera y la segunda cara curva (36) comprende una segunda sección de la esfera,

en donde una normal (27, 37) a la primera cara curva (24, 34) se ubica en un ángulo de -9 con el eje óptico (5) y se elige de manera que |9| |^ | = Ángulo de Brewster (p) para el cristal no lineal (24, 34) y una normal (28, 38) a la segunda superficie curva (26, 36) se ubica en un ángulo de 9 con el eje óptico (5) del cristal no lineal.

Un doblador de frecuencia de cavidad externa (40) que comprende un cristal no lineal (24, 34) como se reivindicó en la reivindicación 1.

Un mezclador de frecuencia de cavidad externa (40) que comprende un cristal no lineal (24, 34) como se reivindicó en la reivindicación 1.

Un método para producir un cristal no lineal como se reivindicó en la reivindicación 1, en donde el método comprende realizar uno o más procedimientos de procesamiento en un cristal grueso, el uno o más procedimientos de procesamiento seleccionados del grupo de procedimientos de procesamiento que comprenden cortar, modelar y pulir el cristal grueso.