TWI649933B - 鎖模光纖雷射裝置 - Google Patents

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TWI649933B TW107100772A TW107100772A TWI649933B TW I649933 B TWI649933 B TW I649933B TW 107100772 A TW107100772 A TW 107100772A TW 107100772 A TW107100772 A TW 107100772A TW I649933 B TWI649933 B TW I649933B
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Abstract

本揭露提供了一種鎖模光纖雷射裝置。上述鎖模光纖雷射裝置包括一非線性環路鏡、一分光器，以及一單向環路。單向環路包括一偏振分光鏡以及一法拉第旋轉器。單向環路藉由上述分光器耦合非線性環路鏡，以形成一8字形光學路徑。由上述分光器之一第一端口輸出之第一輸出雷射脈衝先被傳遞至上述偏振分光鏡，且在經由上述法拉第旋轉器旋轉45度後，傳遞回上述非線性環路鏡，以形成一雷射共振腔。此外，由上述分光器之第二端口輸出之一第二輸出雷射脈衝先經由上述法拉第旋轉器旋轉45度，再經由上述偏振分光鏡反射出上述鎖模光纖雷射裝置之外。

Description

鎖模光纖雷射裝置
本揭露說明書主要係有關於一鎖模光纖雷射技術，特別係有關於藉由在8字形之雷射架構之單向環路中配置一偏振分光鏡以及一法拉第旋轉器，以輸出雷射脈衝之鎖模光纖雷射技術。
隨著科技的進步，雷射的技術也日益演進和創新。鎖模超短脈衝光纖雷射(Mode-locked ultra-short pulse fiber laser)具有高峰值功率和窄脈寬雷射脈衝之雷射，因此其會具有寬頻寬(頻譜)以及高功率輸出之特性。因此，鎖模超短脈衝光纖雷射可應用在外科手術、光纖通訊、頻率量測、材料加工等不同技術領域上。
在傳統之8字形鎖模超短脈衝光纖雷射之架構中，在單向環路中會配置一阻隔器(isolator)，以阻隔反向傳遞之雷射脈衝在單向環路中傳遞，因而浪費了反向傳遞之雷射脈衝。因此，如何將反向傳遞之雷射脈衝做更好的應用將係值得研究之課題。
有鑑於上述先前技術之問題，本揭露提供了藉由在單向環路配置一偏振分光鏡以及一法拉第旋轉器以輸出雷射脈衝之鎖模光纖雷射裝置。
根據本揭露之一實施例提供了一種鎖模光纖雷射裝置。上述鎖模光纖雷射裝置包括一非線性環路鏡、一分光器，以及一單向環路。單向環路包括一偏振分光鏡以及一法拉第旋轉器。單向環路藉由上述分光器耦合非線性環路鏡，以形成一8字形光學路徑。由上述分光器之一第一端口輸出之第一輸出雷射脈衝先被傳遞至上述偏振分光鏡，且在經由上述法拉第旋轉器旋轉45度後，傳遞回上述非線性環路鏡，以形成一雷射共振腔。此外，由上述分光器之一第二端口輸出之一第二輸出雷射脈衝先被傳遞至上述法拉第旋轉器旋轉45度，再經由上述偏振分光鏡反射出上述鎖模光纖雷射裝置之外。
在一些實施例中，非線性環路鏡中更包括一非互逆光學元件。
在一些實施例中，分光器係一光纖耦合器。在一些實施例中，分光器係一塊狀光學元件。
在一些實施例中，單向環路中更包括一第一半波片，且上述第一半波片會配置在非線性環路鏡之分光器和法拉第旋轉器之間。在一些實施例中，單向環路中更包括一第二半波片。
關於本揭露其他附加的特徵與優點，此領域之熟習技術人士，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可根據本案實施方法中所揭露之鎖模光纖雷射裝置，做些許的更動與潤飾 而得到。
100、200、300‧‧‧鎖模光纖雷射裝置
110、210、310‧‧‧非線性環路鏡
111、211、311‧‧‧泵浦雷射
113、213、313‧‧‧非互逆光學元件
113-1、213-1、313-1‧‧‧延遲波片
113-2、113-3、132、213-2、213-3、232、313-2、313-3、332‧‧‧法拉第旋轉器
120、220、320‧‧‧分光器
130、230、330‧‧‧單向環路
131、231、331‧‧‧偏振分光鏡
114、115、134、135、214、215、234、235、314、315‧‧‧準直器
233、236‧‧‧半波片
334、335‧‧‧反光鏡
P1‧‧‧第一端口
P2‧‧‧第二端口
第1圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之鎖模光纖雷射裝置100之方塊圖。
第2A-2B圖係顯示根據本揭露之另一實施例所述之鎖模光纖雷射裝置200之方塊圖。
第3A-3B圖係顯示根據本揭露之另一實施例所述之鎖模光纖雷射裝置300之方塊圖。
本章節所敘述的是實施本揭露之最佳方式，目的在於說明本揭露之精神而非用以限定本揭露之保護範圍，本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
第1圖係顯示根據本揭露之一實施例所述之鎖模光纖雷射裝置100之方塊圖。如第1圖所示，鎖模光纖雷射裝置100可包括了一非線性環路鏡110、一分光器(optical splitter)120以及一單向環路(unidirectional loop)130。注意地是，在第1圖中之方塊圖，僅係為了方便說明本揭露之實施例，但本揭露並不以此為限。鎖模光纖雷射裝置100中亦可包括其他元件。
根據本揭露之一實施例，非線性環路鏡110可係一非線性光學環路鏡(non-linear optical loop mirror，NOLM) 或一非線性放大環路鏡(non-linear amplification loop mirror，NALM)。根據本揭露之一實施例，非線性環路鏡110係由保偏光纖(polarization maintaining fiber)所構成，但本發明不以此為限。
根據本揭露之一實施例，非線性環路鏡110可包含一光纖放大器。光纖放大器可包含一泵浦雷射(例如第1圖之111)、一增益介質(gain medium)，以及一分波多工器(wavelength division multiplexer，WDM)，但本揭露不以此為限。根據本揭露之一實施例，本揭露所述之泵浦雷射可係一980奈米(nm)泵浦雷射、915奈米(nm)泵浦雷射，或一1550奈米(nm)泵浦雷射，但本揭露不以此為限。根據本揭露之一實施例，本揭露所述之增益介質可係一摻鉺光纖(Erbium-doped fiber)、一摻鐿光纖(Ytterbium-doped fiber)、一摻銩光纖(Thulium-doped fiber)、拉曼放大介質(Raman amplification medium)，或一布里昂放大介質(Brillouin amplification medium)，但本揭露不以此為限。根據本揭露之實施例，泵浦雷射111用以提供增益介質能量，以使得經過增益介質傳遞之雷射脈衝信號會被放大。
根據本揭露之一實施例，非線性環路鏡110可包含一非互逆光學元件(non-reciprocal element)113。如第1圖所示，根據本揭露一實施例，非互逆光學元件113可包含一延遲波片(retardation waveplate，RW)113-1，以及法拉第旋轉器(Farady rotator)113-2和113-3，但本揭露不以此為限。根據本揭露一些實施例，非互逆光學元件113亦可係由其他非互逆光學元件所組成。
在本揭露之實施例中，在非線性環路鏡110中，兩不同方向(順時針方向和逆時針方向)之雷射脈衝會分別被導引經過準直器(collimator)114和準直器115，進入非互逆光學元件113，以使得此兩不同方向之雷射脈衝會具有不同的線性相位。此外，非線性環路鏡110會將此兩不同方向之雷射脈衝傳遞到分光器120，以使得此兩反向之雷射脈衝在分光器120相互干涉，並且產生一第一脈衝雷射由第一端口P1輸出到單向環路130，以及一第二脈衝雷射由第二端口P2輸出到單向環路130。
根據本揭露之一實施例，非線性環路鏡110可藉由分光器120耦合單向環路130，以形成一8字形光學路徑(或8字形光纖雷射)。根據本揭露之一實施例，分光器120係一光纖耦合器(fiber coupler)(如第1圖所示)。在本揭露之實施例中，分光器120可具有一對稱分光比(例如：50/50)或一非對稱分光比(例如：60/40)。舉例來說，當非線性環路鏡110係一非線性光學環路鏡(NOLM)時，可採用分光比60/40之分光器120，以及當非線性環路鏡110係一非線性放大環路鏡(NALM)可採用分光比50/50之分光器120，但本揭露不以此為限。
根據本揭露之另一實施例，分光器120可係一塊狀光學元件(塊材)(如第2A-2B圖所示)，例如：一分光鏡(beam splitter)。
根據本揭露之一實施例，單向環路130包括一偏振分光鏡(polarization beam splitter)131以及一法拉第旋轉器132。根據本揭露之一實施例，單向環路130係由保偏光纖所 構成，但本發明不以此為限。
在底下實施例中，偏振分光鏡131僅允許平行紙面之雷射脈衝通過，且準直器134之輸出雷射脈衝之偏振方向係平行紙面，但本發明不以此為限。從分光器120之第一端口P1輸出到單向環路130之第一輸出雷射脈衝會先經過準直器134傳遞到偏振分光鏡131。第一輸出雷射脈衝通過偏振分光鏡131後，會被傳遞到法拉第旋轉器132。法拉第旋轉器132會將第一輸出雷射脈衝之偏振方向旋轉45度，並經由準直器135耦合到保偏光纖的慢軸，準直器135的保偏光纖慢軸傾斜45度對準入射的第一輸出雷射脈衝的偏振方向，然後傳遞第一輸出雷射脈衝到分光器120之第二端口P2。接著，將第一輸出雷射脈衝傳遞回非線性環路鏡110中，以形成一雷射共振腔。
此外，從分光器120之第二端口P2輸出到單向環路130之第二輸出雷射脈衝會先經過準直器135傳遞到法拉第旋轉器132。法拉第旋轉器132會將偏振方向傾斜45度的第二輸出雷射脈衝遵循第一脈衝雷射的旋轉方向旋轉45度成垂直紙面，然後經由偏振分光鏡131將第二輸出雷射脈衝反射(輸出)到鎖模光纖雷射裝置100之外，以作為輸出雷射使用。
第2A-2B圖係顯示根據本揭露之另一實施例所述之鎖模光纖雷射裝置200之方塊圖。如第2A-2B圖所示，鎖模光纖雷射裝置200可包括了一非線性環路鏡210、一分光器220以及一單向環路230。注意地是，在第2圖中之方塊圖，僅係為了方便說明本揭露之實施例，但本揭露並不以此為限。此外， 非線性環路鏡210之架構和非線性環路鏡110類似，因此在此就不再贅述。
和鎖模光纖雷射裝置100不同的是，在鎖模光纖雷射裝置200中，分光器220係一塊狀光學元件(塊材)。在第2A-2B圖中係以分光鏡(beam splitter，BS)為例，但本發明不以此為限。
此外，如第2A-2B圖所示，單向環路230可包括一偏振分光鏡231、一法拉第旋轉器232以及一半波片(half waveplate)233。此外，在此時實施例中，單向環路230係藉由保偏光纖來傳遞雷射脈衝。
在第2A圖之實施例中，係假設光纖準直鏡214、215、234和235內之雷射脈衝之偏振方向係垂直紙面，並假設光纖準直鏡214、215、234和235內之保偏光纖之慢軸方向為垂直紙面，亦即雷射脈衝是在保偏光纖的慢軸中傳遞，但本發明不以此為限，慢軸亦可以置換成快軸。當非線性環路鏡210中兩個不同方向傳遞的雷射脈衝到達分光鏡220後，在分光鏡220會產生干涉，並產生兩個雷射脈衝分成兩個方向進行傳遞。從一第一路徑傳遞之雷射脈衝會先經由準直器235傳遞到保偏光纖，再經由準直器234傳遞至偏振分光鏡231。準直器234輸出之雷射脈衝會被偏振分光鏡231反射到法拉第旋轉器232。法拉第旋轉器232會將雷射脈衝之偏振方向旋轉45度，並將旋轉45度之雷射脈衝傳遞給半波片233。半波片233將法拉第旋轉器旋轉45度之雷射脈衝偏振方向轉回垂直紙面，以使得雷射脈衝可耦合回光纖之慢軸。
此外，在第2A圖之實施例中，從一第二路徑傳遞之雷射脈衝經過半波片233和法拉第旋轉器232後，雷射脈衝的偏振方向會平行紙面，然後通過偏振分光鏡231輸出到鎖模光纖雷射裝置200之外，以作為輸出雷射使用。
在第2B圖之實施例中，係假設光纖準直鏡214、215、234和235內之雷射脈衝之偏振方向係平行紙面，並假設光纖準直鏡214、215、234和235內之保偏光纖之慢軸方向為平行紙面，亦即雷射脈衝是在保偏光纖的慢軸中傳遞，但本發明不以此為限，慢軸亦可以置換成快軸。在此實施例中，單向環路230中更配置了一半波片236。非線性環路鏡210中兩個不同方向傳遞的雷射脈衝到達分光鏡220後，會在分光鏡220產生干涉，並產生兩個雷射脈衝分成兩個方向進行傳遞。從一第一路經傳遞之雷射脈衝會先經由準直器235傳遞到保偏光纖，再經由準直器234傳遞至半波片236。半波片236會將準直器234輸出之雷射脈衝之偏振方向轉為垂直紙面，以使得雷射脈衝可以由偏振分光鏡231反射回分光鏡220。半波片236也可以將準直器234輸出之雷射脈衝之偏振方向轉為傾斜紙面，以使得部分雷射脈衝可以由偏振分光鏡231反射回分光鏡220，部分雷射脈衝可以由偏振分光鏡231輸出到雷射共振腔外，當作另外一個輸出雷射使用。法拉第旋轉器232會將雷射脈衝之方向旋轉45度，半波片233會將法拉第旋轉器232旋轉45度之雷射脈衝偏振方向轉到水平偏振以使得雷射脈衝可耦合到光纖之慢軸。在此實施例中，準直器234的慢軸平行紙面和半波片236的組合，可以用準直器234的慢軸為垂直紙面來取 代。
此外，在第2B圖之實施例中，從一第二路經傳遞之雷射脈衝經過半波片233，及法拉第旋轉器232後。雷射脈衝的偏振方向為平行紙面，因此，會通過偏振分光鏡231輸出到鎖模光纖雷射裝置200之外，以作為輸出雷射使用。
第3A-3B圖係顯示根據本揭露之另一實施例所述之鎖模光纖雷射裝置300之方塊圖。如第3A-3B圖所示，鎖模光纖雷射裝置300可包括了一非線性環路鏡310、一分光器320以及一單向環路330。注意地是，在第3圖中之方塊圖，僅係為了方便說明本揭露之實施例，但本揭露並不以此為限。
和鎖模光纖雷射裝置200相比，鎖模光纖雷射裝置300和鎖模光纖雷射裝置200不同的是，在此時實施例中，鎖模光纖雷射裝置300之單向環路330係藉由反光鏡(mirror)334和335來取代保偏光纖來傳遞雷射脈衝。此外，由於第3A-3B圖所示非線性環路鏡310、分光器320以及單向環路330之架構和操作過程和非線性環路鏡210、分光器220以及單向環路230之架構和操作過程類似，因此在此就不再贅述。
相較於傳統之8字形鎖模光纖雷射裝置之架構，本發明之8字形光纖雷射裝置之單向環路中不需配置阻隔器來阻擋反向傳遞之雷射脈衝在單向環路中被傳遞。此外，本發明之8字形光纖雷射裝置可直接將反向傳遞之雷射脈衝作為輸出雷射使用，而使得反向傳遞之雷射脈衝不會被浪費。
本說明書中所提到的「一實施例」或「實施例」， 表示與實施例有關之所述特定的特徵、結構、或特性是包含根據本揭露的至少一實施例中，但並不表示它們存在於每一個實施例中。因此，在本說明書中不同地方出現的「在一實施例中」或「在實施例中」詞組並不必然表示本揭露的相同實施例。
以上段落使用多種層面描述。顯然的，本文的教示可以多種方式實現，而在範例中揭露之任何特定架構或功能僅為一代表性之狀況。根據本文之教示，任何熟知此技藝之人士應理解在本文揭露之各層面可獨立實作或兩種以上之層面可以合併實作。
雖然本揭露已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (12)

  1. 一種鎖模光纖雷射裝置，包括：一非線性環路鏡；一分光器；以及一單向環路，包括一偏振分光鏡以及一法拉第旋轉器，其中上述單向環路藉由上述分光器耦合上述非線性環路鏡，以形成一8字形光學路徑，其中由上述分光器之一第一端口輸出之第一輸出雷射脈衝先被傳遞至上述偏振分光鏡，且在經由上述法拉第旋轉器旋轉45度後，傳遞回上述非線性環路鏡，以形成一雷射共振腔，以及其中由上述分光器之一第二端口輸出之一第二輸出雷射脈衝先被傳遞至上述法拉第旋轉器旋轉45度，再經由上述偏振分光鏡反射出上述鎖模光纖雷射裝置之外。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述非線性環路鏡包括一非互逆光學元件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述分光器係一光纖耦合器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述光纖耦合器可具有一對稱分光比或一非對稱分光比。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述分光器係一塊狀光學元件。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述單向環路中更包括一第一半波片，且上述第一半波片會配置在上述分光器和上述法拉第旋轉器之間。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述單向環路中更包括一第二半波片配置在偏振分光鏡的前方。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述單向環路係藉由保偏光纖導引雷射脈衝之傳遞。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述單向環路係藉由反射鏡導引雷射脈衝之傳遞。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述非線性環路鏡包括一光纖放大器，且上述光纖放大器包括一增益介質。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述增益介質可係一摻鉺光纖(Erbium-doped fiber)、一摻鐿光纖(Ytterbium-doped fiber)、一摻銩光纖(Thulium-doped fiber)、拉曼放大介質(Raman amplification medium)或一布里昂放大介質(Brillouin amplification medium)。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之鎖模光纖雷射裝置，其中上述非線性環路鏡和上述單向環路的光纖是由保偏光纖所組成。
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