TW201445840A

TW201445840A - 光纖雷射

Info

Publication number: TW201445840A
Application number: TW102117697A
Authority: TW
Inventors: Ci-Ling Pan; Alexey Zaytsev; Chih-Hsuan Lin; Yi-Jing You; Feng-Hua Tsai; Chi-Luen Wang
Original assignee: Nat Univ Tsing Hua
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-12-01
Also published as: US8897325B1; US20140341237A1; TWI509923B

Abstract

一種光纖雷射，係形成一環形共振路徑，光纖雷射包括一激光光源、一摻鐿光纖以及一光調變單元。激光光源係發出一激光。摻鐿光纖激光係耦合至摻鐿光纖。光調變單元包含一光柵對、一光圈以及二反射鏡，其中光柵對耦合激光，光圈具有一孔徑，由光柵對輸出之光線係部分穿過孔徑並射至該等反射鏡其中之一且形成一反射光，反射光再次穿過孔徑並經由光柵對及該等反射鏡其中另一反射輸出，以耦合回環形共振路徑。

Description

光纖雷射

本發明係關於一種光纖雷射。

光纖雷射因為具有非常好的穩定性，體積小、方便容易攜帶與容易架設等優點，故在於光通訊、光譜測量及光學分析之應用佔有一席之地，而且有非常高的斜效率（Slope Efficiency）與光功率輸出，因而成為工業上應用非常廣泛的雷射系統。

超快脈衝雷射通常指脈衝寬度（pulse duration）小於皮秒（10^-12秒）的脈衝雷射，目前被廣泛應用的超快雷射為鈦藍寶石鎖模雷射（Ti:Sapphire mode-lock laser）及相關延伸技術，其波長範圍從 700 nm 至 900 nm，脈衝寬度約為100飛秒（10^-13秒），重覆頻率（repetition rate）約為80 MHz，尖峰功率（peak power）可達10 KW以上。就其脈衝寬度、能量及運作穩定度而言，已足以讓超快雷射引發之非線性光學效應能順利應用於顯微技術上，故開啟了超快脈衝雷射極多樣性的應用。

近來摻鐿的光纖是一個廣為研究的增益介質，因為它具有寬的增益頻寬，大的飽和強度與高的激發斜效率。另外，利用鎖模技術則可將雷射脈寬進一步壓縮至皮秒或飛秒量級，其中鎖模的方法包含主動鎖模、被動鎖模、同步激發鎖模、自鎖模及碰撞鎖模等多種方式。

另外，也有愈來愈多的研究是針對脈衝雷射光纖中的似噪脈衝（noise-like pulses），其特色為具有較窄的尖峰，可以遠距離傳輸且不失真，且具有較高的脈衝功率；以及具有較寬的頻寬，可以在偵測或是傳輸上擁有較多的資訊。故有愈來來愈多的研究人員，投注心力於似噪脈衝的領域。

然而，現有技術中，光纖雷射所輸出脈衝雷射的中心頻率及頻寬通常是固定的，而無法隨意調變，降低了其應用性。因此，如何提供一種光纖雷射可產生高功率的脈衝雷射，且可調整所輸出的脈衝之中心頻率及頻寬，已成為重要的課題之一。

有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種光纖雷射可產生高功率的脈衝雷射，且可調整所輸出的脈衝之中心頻率及頻寬。

為達上述目的，依據本發明之一種光纖雷射，係形成一環形共振路徑，光纖雷射包括一激光光源、一摻鐿光纖以及一光調變單元。激光光源係發出一激光。摻鐿光纖激光係耦合至摻鐿光纖。光調變單元包含一光柵對、一光圈以及二反射鏡，其中光柵對耦合激光，光圈具有一孔徑，由光柵對輸出之光線係部分穿過孔徑並射至該等反射鏡其中之一且形成一反射光，反射光再次穿過孔徑並經由光柵對及該等反射鏡其中另一反射鏡輸出，以耦合回環形共振路徑。

在一實施例中，激光光源包括至少一雷射二極體。

在一實施例中，更包含一第一光纖準直單元，耦接摻鐿光纖射出的光線。

在一實施例中，更包含一偏振分光單元，由第一光纖準直器輸出之光線入射偏振分光單元而被分光。

在一實施例中，更包含一第二光纖準直單元，接收由光調變單元輸出之光線，並準直後輸出至環形共振路徑。

在一實施例中，摻鐿光纖具有雙包層。

在一實施例中，光纖雷射之中心波長係藉由垂直於光路徑之平面上移動光圈之位置而選擇。

在一實施例中，光纖雷射於窄頻帶之中心波長係介於1023nm至1035nm，於寬頻帶之中心波長係介於1042nm至1054nm。

在一實施例中，光纖雷射之頻寬係由光圈之孔徑控制。

在一實施例中，光纖雷射係產生高斯脈衝或似噪脈衝。

承上所述，依據本發明之一種光纖雷射，藉由形成一環形共振路徑，並設置摻鐿光纖、光柵對以及光圈，以產生高脈衝能量的高斯脈衝或似噪脈衝，並可調整光纖雷射輸出脈衝的中心波長及頻寬。更進一步來說，光纖雷射輸出激光的中心波長可由光圈於垂直於光路徑之平面上之位置決定，而頻寬則可由光圈之孔徑控制。

總的來說，本發明之光纖雷射不僅可以產生高能量的脈衝，且其輸出的脈衝中心波長與頻寬亦可依據需要進行調整，而可廣泛地應用於醫學檢測、訊號通信或雷射切割等多樣化的領域中。

1．．．光纖雷射

11．．．激光光源

12．．．功率合成單元

13．．．摻鐿光纖

14．．．第一光纖準直單元

15．．．偏振分光單元

151．．．二分之一波片

152．．．第一四分之一波片

153．．．偏振分光鏡

154．．．第二四分之一波片

16．．．光調變單元

161．．．光柵對

161a、161b．．．光柵

162．．．光圈

163、164．．．反射鏡

17．．．第二光纖準直單元

18．．．光隔離單元

F．．．被動光纖

x₁、x₂．．．位置

θ_i．．．入射角

θ_d1、θ_d2．．．衍射角

圖1為本發明之一種光纖雷射的示意圖。
圖2為藉由圖1之光纖雷射所產生的似噪脈衝的示波器波形圖。
圖3為本發明實施例中，光柵對及光圈的示意圖。
圖4A為本發明實施例中，窄頻中藉由改變光圈位置所產生的波形圖。
圖4B為本發明實施例中，寬頻中藉由改變光圈位置所產生的波形圖。
圖5A為本發明實施例中，不同光圈的孔徑所產生之激光的頻率響應圖。
圖5B為本發明實施例中，不同光圈的孔徑所產生之激光的時間響應圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種光纖雷射，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

圖1為本發明較佳實施例之一種光纖雷射的示意圖。光纖雷射1係為一鎖模雷射環形共振腔（ring cavity）的設計，且其係可產生窄頻帶（narrowband）或寬頻帶（broadband）的高斯脈衝（Gaussian pulse）或似噪脈衝（noise-like pulse），其係可應用於醫學檢測（例如光學同調斷層掃描, Optical Coherence Tomography, OCT）、雷達系統、訊號通信或雷射切割等領域。光纖雷射1包括一激光光源11、一被動光纖F、一功率合成（power combiner）單元12、一摻鐿光纖13、一第一光纖準直單元14、一偏振分光單元15、一光調變單元16、一第二光纖準直單元17以及一光隔離單元18。

激光光源（pump light source）11，可包括一或多個雷射二極體（laser diode），以發出一激光。本實施例中，激光光源的泵浦功率（pump power）可介於4瓦特～13瓦特之間，於此，泵浦功率係以13瓦特為例，且波長係以915奈米為例。

功率合成單元12是透過被動光纖F與激光光源11連接，使得激光光源11所發出的激光可經由被動光纖F傳遞至功率合成單元12。其中，被動光纖F之內徑係為6微米，外徑則為125微米。功率合成單元12係將所接收之激光進行功率放大，並與經功率放大後的一回授信號（來自光隔離單元18）進行合成後輸出。

功率合成單元12輸出之激光繼續透過被動光纖F傳遞並傳送到摻鐿光纖13。摻鐿光纖13係可具有雙包層（double cladding layer），且其纖蕊摻雜有稀土元素中的鐿（Yb），而增加纖蕊的折射率，藉以使得激光在摻鐿光纖13內傳遞時得以獲得能量增益。舉例來說，摻鐿光纖13的纖蕊直徑係可為10微米，而摻鐿光纖13的外徑則有125微米。由於摻鐿光纖13具有較大的內徑，因此在主動光纖內的非線性效應（nonlinear effect）可大幅地減少。

第一光纖準直單元14係透過被動光纖F而與摻鐿光纖13連接。第一光纖準直單元14係接收被動光纖F傳遞由摻鐿光纖13而來的激光，並將之轉變為一準直光輸出而射至偏振分光單元15。

偏振分光單元15可包括一二分之一波片151、一第一四分之一波片152、一偏振分光鏡153以及一第二四分之一波片154。準直光通過二分之一波片151及第一四分之一波片152後射至偏振分光鏡153。偏振分光鏡153將平行光射至後續的光調變單元16。

光調變單元16包括一光柵對161、一光圈162以及二反射鏡163、164。於光路徑上，光柵對161係耦合激光，更精確來說，是耦合經偏振分光鏡153分光後的部份激光，以補償色散，提供負的群速度延遲色散（Negative Group Velocity Dispersion, NGVD）。其中，光圈162具有一孔徑，由光柵對161輸出之光線係部分穿過光圈162的孔徑並射至反射鏡163且形成一反射光，反射光再次穿過光圈162的孔徑並經由光柵對161及另一反射鏡164反射輸出，以耦接回環形共振路徑。於此，光柵對161彼此的相對距離係以10.5cm為例，光柵對161的光柵條紋數目係以600條/mm為例。

值得一提的是，本實施例係以產生似噪脈衝為例，當欲產生高斯脈衝時，光圈係可以一濾光片取代。

於此，激光經過光柵對161作用後，不同波長的光線之射出角度會有所不同，故只要調整光圈162垂直於光路徑之平面上的擺放位置，即可選擇可通過的光纖雷射1輸出的激光之中心波長。換而言之，光纖雷射1的輸出激光之中心波長係可藉由垂直於光路徑之平面上移動光圈162之位置而選擇。

由反射鏡164反射出的光線，則會穿過第二四分之一波片154，再由第二光纖準直單元17準直後，再經由光隔離單元18耦合回功率合成單元12，而各單元間的光線耦接，則利用被動光纖F來進行，因而形成一環形共振腔。

請參照圖2所示，其係為本實施例之光纖雷射所產生的似噪脈衝的示波器波形（Oscilloscope trace），其係以一快速InGaAs感測器所測得。由此可知，本實施例之光纖雷射，的確能得到很穩定的自主動（self-start）鎖模脈衝串，而且可操作在泵浦功率（pumping power）之輸出功率為4～13瓦特的情況下，而對應的光纖雷射輸出功率則為0.1～1.45瓦特。

請參照圖3所示，其光柵對與光圈的示意圖。藉由搭配圖2，以下將進一步說明如何藉由調整光圈162垂直於光路徑之平面上的位置，以選擇中心波長。如圖3所示，由於光線經由光柵對中的光柵161a所衍射的角度係與波長具有相關性，其係符合此式：sinθ_di= sinθ_i- λi/d，其中θ_i為入射光栅161a的角度，θ_di為衍射角，λi為θ_di對應的波長，d為光柵的條紋之間的距離。在線性關係的條件下，我們可以將上面的式子，簡化成下面的公式：

其中，x₁、x₂為孔徑對應不同λ的位置；θ_d則為平均衍射角度（約為20度）；d為光柵條紋之間的距離（1.666μm）；b為光柵對彼此的相對距離（10.5cm）。本實施例中，由於不同波長的光線由於不同衍射角度的緣故，使得經由光柵161b射出後光線依據其波長的長度分佈於垂直光路徑之平面上的不同的位置。透過移動光圈上的孔徑相對位置，即可令想要的波長的光線通過，其餘的則予以屏蔽，便可達到選擇中心波長之目的。舉例來說，若要將中心波長由1035nm調整至1045nm（Δλ=10nm），光圈於垂直光路徑之平面上的位置需要移動0.2mm。

請參照圖4A及圖4B所示，其分別為於窄頻（narrowband）及寬頻（broadband）中，固定光圈於垂直於光路徑之平面上的位置，藉由改變光圈的孔徑大小以決定光纖雷射輸出激光的中心波長位置。如圖4A所示，光圈的孔徑為1mm，窄頻的中心波長係由1023nm調變至1035nm；如圖4B所示，光圈的孔徑為3mm，寬頻的中心波長係由1042nm調變至1054nm。也就是說，不論是在窄頻或寬頻中，均可利用光圈的孔徑大小來調變中心波長，故而能增加雷射脈衝之應用性。

請參考圖5A及圖5B所示，其分別為不同光圈的孔徑所產生之激光的頻率響應及時間響應圖。如圖5A所示，固定光圈位置，且於波長為1034nm，中心頻率為290THz的條件下，當光圈的孔徑為1mm時，頻寬為2.1THz，當光圈的孔徑為2mm時，頻寬為5.5THz，光圈的孔徑為1mm時，頻寬為14THz。如圖5B所示，當光圈的孔徑為1mm時，半能量的脈衝寬度為5ps，當光圈的孔徑為2mm時，半能量的脈衝寬度為20ps，當光圈的孔徑為3mm時，半能量的脈衝寬度為90ps。

值得一提的是，於一較佳實施例中，激光光源的泵浦功率為13W、光圈的孔徑為3mm，可產生出脈衝重複率（repetition rate）約為31.5Mhz、脈衝寬度（pulse duration）於尖峰處約為120飛秒，於平坦處約為90皮秒，脈衝能量（pulse energy）為47nJ的似噪脈衝。

綜合上述，依據本發明之一種光纖雷射，藉由形成一環形共振路徑，並設置摻鐿光纖、光柵對以及光圈，以產生高脈衝能量的高斯脈衝或似噪脈衝，並可調整光纖雷射輸出脈衝的中心波長及頻寬。更進一步來說，光纖雷射輸出激光的中心波長可由光圈於垂直於光路徑之平面上之位置決定，而頻寬則可由光圈之孔徑控制。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。