TW201214906A - Circular loop optical system and all-fiber based Q-switched laser using the same - Google Patents

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TW201214906A TW099131832A TW99131832A TW201214906A TW 201214906 A TW201214906 A TW 201214906A TW 099131832 A TW099131832 A TW 099131832A TW 99131832 A TW99131832 A TW 99131832A TW 201214906 A TW201214906 A TW 201214906A
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Hong-Xi Cao
Chih-Lin Wang
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201214906 rz/yy〇019TW 35224twf.doc/n 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種Q-開關雷射(Q-switched laser)， 且特別是有關於一種全光纖式Q-開關雷射及其環形迴路 光學系統。 【先前技術】
所謂Q-開關雷射即是高功率脈衝雷射，而Q-開關則 是產生高功率脈衝光的技術。Q-開關的技術又分主動式和 被動式。被動式Q-開關技術是使用一可飽和吸收的材料， 放置於雷射共振腔内，雷射一經激發即可自動產生高功率 脈衝光，因此被動式Q_開關雷射又稱飽和吸收開關雷 射。相較於主動式Q_開關雷射，飽和吸收Q·開關雷射結 構簡單、體積小、成本低。 " 由於光纖的諸多優點，光纖式脈衝雷射是一新興熱門 =研究主題。惟目前市面上常見的光纖式雷射仍存在；部 份缺失，諸如傳統光纖雷射種子源為半導體雷射可承受之 功f較低’易遭受破壞，以及賴級雷射種子源具^使 用壽命等問題。此外，在習知技術中，傳統光纖雷^ 光1統:需人力耦光，且需要抗反射鍍膜等製程， 因此，習知的光纖式脈衝雷射技術仍存有許多 進’且提供一穩定度高、低成本的全光纖式Q 開關雷射，實有其必雜。 M Q， 201214906 fz/wwi9TW 35224twf.doc/n 【發明内容】 •v otit供麵形迴路光學系統，其適於一全光纖 式Qm射。所述環形迴路光料統包括多個分光元件 以及一飽和吸收體。每一合氺 一 #母刀先疋件包括一第一銜接光纖及 政^ 制㈣—娜光纖，所述分光元 件的其中之-與其中之另一耦接。飽和吸收體之兩端分別 箱接至藉由對應的第，接光纖彼此耦接的分光元件的第 二銜接光纖，其中飽和錄體與藉由對應的第—銜接光纖 和光源 彼此麵接的分光元件形成—環形迴路，以產生—辅助不飽 本發明提供一種全光纖式Q-開關雷射，其包括-雷射 共振腔以及上述環形迴路光學系統。環形迴路光學系統配 置於雷射共振腔内，而全光纖式㈣關雷射藉由環形迴路 光學系統產生一脈衝雷射。 為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施 例’並配合所附圖式作詳細說明如下。 【實施方式】 在本發明之範例實施例中，環形迴路光學系統為一加 快飽和吸收體快速恢復到不飽和的裝置，其利用一輔助不 飽和光源’使飽和吸收體快速達到不飽和狀態，有助於提 升Q-開關雷射之能力，並可達成全光纖式脈衝雷射。 在底下的貫施例中’將以換銷光纖作為飽和吸收體的 範例實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者當知換 201214906 rz/yyU〇19TW 35224twf.doc/n 铒光纖並非用以限定本發明的飽和吸收體。 同時，本發明亦不限定分光元件的型態及種類，舉凡 任何可用以分光的光學元件皆為本發明所欲保護之範疇。 而為了搭配摻斜光纖，在本發明之範例實施例中，係選用 1530/1570nm 的分波多工器（waveiength_Division
Multiplexing ’ WDM)作為分光元件，但本發明並不限於 此。其中，1530/1570nm WDM係指適於使波長1530nm (奈 米）的光源穿透’並反射波長1570nm的光源之分波多工器。 圖1繪示本發明一實施例之分波多工器及環形迴路光 學系統，其中圖1(a)為本發明一實施例之分波多工器，而 圖1(b)為分波多工器與飽和吸收體所形成的環形迴路光學 系統。請參考圖1，在本實施例中，環形迴路光學系統1〇〇 例如包括分光元件110、120及一飽和吸收體13〇。在此， 分光元件110、120例如各為一 i53〇/l570nmWDM，而飽 和吸收體130例如是一摻銷:光纖，但本發明並不限於此。 圖1(a)即繪示圖1(b)之分光元件110。在本實施例中， 分光元件110包括一第一銜接光纖112a、一第二銜接光纖 1及一第三銜接光纖丨12c。在此，分光元件i 1〇適於使 一第一波長光束λ1穿透，並反射一第二波長光束λ2，如 圖1(a)所示。類似地，本實施例之分光元件12〇與分光元 件110具有相同或相似的技術特徵，在此便不再贅述。 在本實施例中，分光元件110、120分別藉由其第一 銜接光纖112a、122a彼此搞接。並且，飽和吸收體13〇 之兩端分別耦接至第二銜接光纖U2b、122b，以形成環形 201214906 rz/yyuuiiyTW 35224twf.doc/n 迴路光學系統100。換句話說，飽和吸收體13〇與藉由第 一銜接光纖112a、122a彼此耦接的分光元件11〇、12〇形 成一環形迴路，以產生一輔助不飽和光源，即第二波長光 束λ 2。 在本實施例中，若將環形迴路光學系統 100應用於一 全光纖式Q-開關雷射，則該全光纖式Q—開關雷射所產生 之一雷射光源例如為一具有波長;的脈衝雷射，而環形 迴路光學系統100所產生的辅助不飽和光源例如具有波長 入2。以摻铒光纖及i530/1570nmWDM為例，波長λΐ例 如是1530nm，而波長；U例如是i570nm。換句話說，在 本實施例中’全光纖式Q-開關雷射所產生的雷射光源之波 長入1係短於環形迴路光學系統1〇〇所產生的輔助不飽和 光源之波長λ2。 詳細而言’圖2為本發明一實施例之全光纖式q_開關 雷射。請參考圖1及圖2，在本實施例中，全光纖式q_開 關雷射200例如包括由兩個光纖光柵21〇、220(Fiber Bragg Grating ’ FBG)所形成的一雷射共振腔、“光結合器230 (combiner)及圖1(b)所繪示的環形迴路光學系統1〇〇，其中 環形迴路光學系統100係配置於雷射共振腔内。 在本實施例中，環形迴路光學系統100分別藉由分光 元件110、120之第三銜接光纖112c、122c與光纖光柵210 及光結合器230連接，而光結合器230藉由一增益光纖240 (gain fiber)與光纖光柵220連接，其中增益光纖240可用 以產生雷射。因此，當光結合器230接收一激發光源時， 201214906 /yyuOl^HV %224twf.doc/n 增益光纖240之增益介質可獲得能量而產生雷射。在此， 光纖光柵210是雷射共振腔的反射鏡，可全反射雷射光波 之波長A 1，而光纖光柵220則提供一定比例的雷射光波之 波長反射，而剩餘比例為雷射輸出25〇。 在全光纖式Q_開關雷射2〇〇系統中，雷射輸出250 的光學性質係由兩個光纖光栅210、220所形成的共振腔及 激發光源所決定。例如，若光結合器23〇所接收的激發光
源係由一 980nm雷射二極體幫浦所產生的能量，則全光纖 式Q-開關雷射200系統所產生的雷射之波長例如是 1530nm。 此外’雷射能量累積用的開關，其目的在於控制雷 射光源在共振腔内的能量損耗。藉由能量損耗的控制，在 全光纖式Q-開關雷射2〇〇的系統輸出端，可產生一脈衝式 的雷射輸出250。 須特別說明的是，在本實施例中，全光纖式Q-開關雷 射2〇0係以全光纖式架構及環形迴路光學系統1。。來產生 财衝#射而環形迴路光學系統可使飽和吸收體所產 生^輔助不飽和域λ2於環形架構中傳輸，以使飽和吸 =體=快速不飽和之特性，以達職速_的功能。因 之全光纖式Q-開關雷射具有可穩定度高、低 成本的良好特性。 _ 豆喁而言’以飽和吸收體為摻铒光纖為例，圖3為 圖。圖’而圖4為_子的部分能階示意 …圖至® 4 ’在本實施例中，作為飽和吸收體 201214906 rz/yyuui9TW 35224twf.doc/n 130的摻铒光纖，其吸收波長為153〇nm的雷射光源（即第 一波長λ 1)並放射波長為i570nm的輔助不飽和光源（即第 二波長λ 2)。因此，由圖丨可知，本實施例之雷射光源可 在共振腔中自由穿透，而輔助不飽和光源則被限制在光學 系統100的環形迴路中β 詳細而言’在全光纖式Q_開關雷射200接收980nm 的激發光源後，經過一特定時間（例如幾毫秒），飽和吸收 體130會吸收雷射光源，使其無法通過環形迴路光學系統 100。之後，飽和吸收體13〇會快速達到飽和，而飽和後， 雷射光源即可在卿迴路光學系統_中自由穿透，使全 光纖式Q-開關雷射2G〇可產生—波長為丨別細的脈衝雷 射。在此，稱為「開關打開」步驟。 接著，當餘和吸收冑ls〇因吸收大量雷射統而達到 飽和後，會自發性地放射出纽長㈣量錢，而波長 =70:的能量総縣其中之…是以，在本實施例的系 、、…、構之下，波長157〇nm的能量光源會被限制在光學系 二ί環形迴路中’以作為辅助不飽和光源，幫助雷射 ％ ，產生波長為1530nm的脈衝雷射。在此，稱為 輔助光源產生」步驟。 源之ίΐί/開關打開」步驟中’波長l53Gnm的雷射光 子數，離子能階、3/2的電子數(底下簡稱為上能階電 2而g值則代表圖3的光譜圖中吸收值與放射值 201214906 r^/：,yu019TW 35224twf.doc/n 的比值。例如，在波長153〇nm處，其吸收值與放射值相 等，即g=l。 當飽和吸收體130因吸收大量雷射光源而達到飽和 後’開關係處於打開狀態，此時Nai53〇=(NrN2/g)會等於〇， 而可得到Ni/NfgM。另外，由於餌離子能階系統中上能 階電子數N2及下能階電子數叫的總電子數不變，因此 Νι+Ν2=Ντ ’其中Ντ代表總電子數《是以，由上述兩關係 鲁 式凡爪2=§=1及ΐ^+Ν^Ντ ’可得到Νι=Ν2=Ντ/2。 在上述「辅助光源產生」步驟中，波長157〇nm的辅 助不飽和光源之電子數例如可表示為Nal57Q=(Nl_N2/g)。其 中’在圖3的光譜圖中波長i57〇nm處，其吸收值約為放 射值得一半，即g=〇.5。進而，將Ni=N2=Nt/2及g=〇 5代 入 Nal570=(NrN2/g)式中，可得到 Nal57〇=(Nl_N2/g)=_NT/2， 其負值代表系統是處於產生光源的增益形式，即代表波長 1570nm的辅助不飽和光源被產生。 另一方面，當1570nm輔助不飽和光源產生經過一段 鲁 時間後達到.時，若滿足g=〇.5及 Ι^+Ν^Ντ，則可得到NfNT/3、N2=2NT/3。之後，將上述 N产Ντ/3、N2=2NT/3 之關係重新代入 Nal53〇=(NrN2/g)式 中’則可得到Nal53〇=(NrN2/g)=NT/3。值得注意的是，此 時Nal53〇值不為〇而為一正值，代表系統開關並非處於打 開狀態’而是處於吸收光源的狀態。換句話說，此時飽和 吸收體130再次進入不飽和狀態，進而吸收雷射光源。在 此，稱為「開關關閉」步驟。 201214906 rz / yyw 19TW 35224twf.doc/n 換句話說，在全光纖式Q-開關雷射200接收9g〇nm 的激發光源後’在環形迴路光學系統1〇〇中，上述「開關 打開」步驟、「輔助光源產生」步驟及「開關關閉」步驟 會反覆進行，以使全光纖式Q-開關雷射2〇〇可產生一波長 為1530nm的連續脈衝雷射，如圖5所示。 須特別說明的是，一般而言，在物質的能階系統中， 單一的能階通常會展開為多個子能階。例如，在辑離子的 能階系統中，其上能階及下能階4Ii3/2由物理角度來 看，通常會展開成多個子能階(未繪示）。是以，在圖4中， 電子由铒離子的上能階'Μ落至下能階4Ii3/2時所自發性 地放射出的多波長能量光源，可以15XXnm表示。該表示 方式係代表波長1530nm的雷射光源與波長157〇nm的輔 f不飽和光源具有相同數量的上能階電子數Νι及相同數 量的下能階電子數N2。 、換句話說，在本實施例中，環形迴路光學系統1〇〇為 滿足上述「開關打開」步驟、「輔助光源產生」步驟及「開 關關閉」步驟的操作，其雷射光源與辅助不飽和光源必須 具有相同的上能階電子數及相同的下能階電子數。 圖5繪示本發明一實施例之全光纖式Q_開關雷射所 產生的雷射光源之訊號波形圖。請參考圖5，圖5(a)所繪 ^者，該全光纖式Q-開關雷射藉由環形迴路光學系統100 經過「開關打開」步驟、「輔助光源產生」步驟及「開關 關^J_步驟的循環操作而產生的連續脈衝雷射。而圖5(b) 所1不者係該等連續脈衝雷射其中之一的訊號波形。 201214906 r" ”υ019TW 35224twf.doc/n 由圖5所緣示的雷射光源之訊號波形圖可知，本實施 例之全光纖式Q-開關雷射所產生的雷射光源之波長為 1530nm ’且具有良好光學品質。此外，藉由環形迴路光學 系統100所產生的輔助不飽和光源，飽和吸收體具有快速 不飽和之特性，可達到快速關閉的功能。 一般而言，飽和吸收體的材料必須滿足一個先決條 件’即是飽和吸收材料的absorption cross section (aa)，必 須大於增益介質材料的stimulated emission cross section 鲁 （Gg) ’即aaAjg>l。而且，兩者的比值（jaAjg愈大，飽和吸收 Q-開關的效率愈好。在本發明之範例實施例中，可藉由提 南增益光纖内核心面積Ag和飽和吸收光纖内核心面積Aa 的比值’調整此一先決條件為： σ,Αα 由於雷射光源被侷限在光纖内的光纖核心(Fiber Core) 中傳輸。藉由提高Ag，可降低光束在增益光纖核心內的強 • 度密度。反之，藉由降低Ag ’可提高光朿在飽和吸收光纖 核心内的強度密度 因此可加速飽和吸收光纖達到飽和狀 態，進而產生雷射脈衝。所以，若飽和吸收材料的〜小於 雷射增益介質的σg，在本發明之範例實施例中，可藉由提 尚增益光纖内核心面積Ag和飽和吸收光纖内核心面積、 的比值’使全光纖式Q_開關雷射滿足上述調整後的先決條 件。因此，在本發明之範例實施例中，相同的材料可同時 作為飽和吸收體與增益介質，並解決材料取得不易的問題。 為達到上述目的，在圖1的環形迴路光學系統1〇〇 201214906 rx/77uui3»TW 35224twf.doc/n 中，當飽和吸收體130以一飽和吸收光纖實施時，飽和吸 收光纖之核心面積或直徑可設計為小於第二銜接光纖 112b、122b之核心面積或直徑，並且當第三銜接光纖 112c、122c連接至增益光纖24〇時，增益光纖24〇之核心 面積或直徑可設計為大於第三銜接光纖U2c、122c之核心 面積或直徑。舉例而言，飽和吸收體13()之核心直徑例如 可設計為3〜20微米(pm)，第二銜接光纖n2b、122b之核 〜直從例如可設計為3〜3〇微米(pm)，而增益光纖之核心 直徑例如可設計為5〜3〇微米(μιη)。 此外’在圖1的環形迴路光學系統1〇〇中，第一銜接 光纖112a、122a、第二銜接光纖112b、122b及第三銜接 光纖112c、122c之核心面積或直徑例如可設計為相同，且 系統中每一光纖之連結可使用例如是融接或是對光等方式 連結，此連結方式可根據系統之需求決定。 另外’在本發明之範例實施例中’全光纖式Q-開關雷 射亦不侷限於圖2之設計架構，圖6即繪示本發明其他實 施例之全光鐵式Q-開關雷射。在圖6中，.全光纖式開. 關雷射200’、200”皆可產生波長為153〇nm的連續脈衝雷 射，且利用環形迴路光學系統1〇〇，可使飽和吸收體具有 快速不飽和之特性，以達到快速關閉的功能 ，相同或相似 之處在此便不再贅述。此外，圖丨之環形迴路光學系統1〇〇 例如適於應用在l〇2〇nm至16〇〇nm的波長範圍之雷射系 統’但本發明並不限於此。 綜上所述，在本發明之範例實施例中，全光纖式Q- 201214906 rz/yvu019TW 35224twf.doc/n 開關雷射利用環形迴路光學系統，以飽和吸收體所產生的 一輔助不飽和光源，使其於環形架構中傳輸，並利用輔助 不飽和光源與雷射具有相同上下能階電子數之特性，以 飽和吸收體具有快速不飽和之特性，以達到快速關閉的功 能。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定 本發明’任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離 φ 本發明之精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，故本 發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 圖1繪示本發明一實施例之分波多工器及環形迴路 學系統。 圖2為本發明一實施例之全光纖式Q_開關雷射。 圖3為摻铒光纖之吸收及放射光譜圖。 圖4為餌離子的部分能階示意圖。 _ 圖5繪示本發明一實施例之全光纖式q_開關雷射妍 產生的雷射光源之訊號波形圖。 圖6繪示本發明其他實施例之全光纖式Q-開關雷射。 【主要元件符號說明】 100 :環形迴路光學系統 110、120 :分光元件 130 :飽和吸收體 13 35224twf.doc/n 201214906
Γ4. /77UUiyTW 112a、122a :第一銜接光纖 112b、122b :第二銜接光纖 112c、122c :第三銜接光纖 λΐ :第一波長光束 λ2 :第二波長光束 200、200’、200” ：全光纖式Q-開關雷射 210、220 :光纖光栅 230 :結合器 240:增益光纖 250 :雷射輸出
14

Claims (1)

  1. 201214906 r / 19TW 35224twf.doc/n
    七、申請專利範面： L -種環形迴路光㈣統，適於—全光纖式 雷射，該環形迴路光學系統包括： 關 多個分光元件’每-分光元件包括—第一銜接光纖及 -第二銜接光纖，藉由對應的該些第—銜接光纖，該些 光元件的其中之一與其中之另一耦接；以及 一 -飽和吸㈣，該飽和吸㈣之兩齡_接至 對應的該些第-銜接光纖彼此雛的該些分光元件的該些 第二銜接光纖， 一 其中該餘和吸收體與藉由對應的該些第 ，此輕接的該些分光元件形成一環形迴路，以產生=== 不飽和光源。 2·如申請專利範圍第i項所述之環形迴路 統，其中該些分光元件包括： 一第一分光元件； 一第二分光元件 光學系
    難該第一分光元件以該第-銜接光纖 其中該飽和吸收體之兩端分別耦接至該八 件之該第二銜接光纖與該第二分光元件之該第一刀先几 纖’以與該第-及該第二分光元件形成該環形迴路 銜接光 、如申請專利範圍第i項所述之環形迴 統，其中該些分光元件適於使一第一波長 九予糸 射一第二波長光束，其中該全光纖式Q·開關雷=產^ -雷射光源具有該第-波長’而該辅助不飽和先 201214906 rz /1，TW 35224twf.doc/n 第二波長。 4. 如申明專利範圍第3項所述之環形迴路光學系 統，其中該飽和吸收體之能階系統具有一上能階及一下^ 階，該雷射光源與該辅助不飽和光源係由該上能階之電子 數落至該下能階而產生，其中該雷射光源與該輔助不飽和 光源具有相同數量的該上能階之電子數及相同數量的該下 能階之電子數。 ~ 5. 如申請專利範圍第3項所述之環形迴路光學系 統，其中該雷射光源之該第一波長短於該輔助不飽和光源 之該第二波長。 6. 如申請專利範圍第3項所述之環形迴路光學系 統’其中該飽和吸收體吸收該雷射光源並放射該輔助不飽 和光源。 7. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系 統’其中該飽和吸收體為一飽和吸收光纖，該飽和吸收光 纖之核心面積或直徑小於該第二銜接光纖之核心面積或直 徑。 8. 如申請專利範圍第7項所述之環形迴路光學系 統’其中該飽和吸收體之核心直徑為3〜20微米（μπι)。 9. 如申請專利範圍第7項所述之環形迴路光學系 統，其中該第二銜接光纖之核心直徑為3〜30微米(μιη)。 10. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系 統’其中每一分光元件包括一第三銜接光纖，該第三銜接 光纖適於耦接至該全光纖式Q-開關雷射中之一增益光纖。 16 201214906 γ.δ / 19TW^ 35224twf*.doc/n 11. 如申π專利範圍第10項所述之環形迴路光學系 統，其中該增益光纖之核心面積或直徑大於該第三銜接光 纖之核心面積或直徑。 12. 如申明專利範園第11項所述之環形迴路光學系 統，其中該增益光纖之核心直徑為5〜3〇微米(μιη)。 13. 如申明專利範圍第η項所述之環形迴路光學系 統，其中該飽和吸收體為一飽和吸收光纖，該飽和吸收光 纖之核心直徑為3〜30微米(μιη)。 鲁 14.如申凊專利範圍第10項所述之環形迴路光學系 統’其中該第-銜接光纖、該第二銜接光纖及該第三銜接 光纖之核心面積或直徑相同。 15. 如申請專利範圍第10項所述之環形迴路光學系 統，其中該飽和吸收體為一飽和吸收光纖，該第一銜接光 纖、該第二銜接光纖、該第三銜接光纖、該增益光纖及該 飽和吸收光纖以熔接或對光方式連結。 16. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系 φ 統，其中該飽和吸收體為一摻鋅光纖。 17. 如申凊專利範圍第1項所述之環形迴路光學系 統，其中該些分光元件為分光多工器。 18. 如申凊專利範圍第1項所述之環形迴路光學系 統，其中該環形迴路光學系統適於應用在1〇2〇奈米(nm) 至1600奈米(nm)波長範圍之雷射系統。 19. 一種全光纖式Q-開關雷射，包括： 一雷射共振腔；以及 17 201214906 x 厶，7 7 w i 9TW 35224twf.doc/n 一如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統， 該環形迴路光學系統配置於該雷射共振腔内，其中該全光 纖式Q-開關雷射藉由該環形迴路光學系統產生一脈衝雷 射。 18
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