TW201519544A - 光纖雷射泵浦裝置、其方法及應用該裝置的高功率雷射裝置 - Google Patents

Abstract

一種光纖雷射泵浦裝置包含泵浦光源、光結合器、增益光纖及溫控裝置，泵浦光源產生泵浦雷射光，光結合器結合泵浦雷射光及種子雷射光產生一匯集光，增益光纖接收並增益匯集光後輸出增益雷射光，溫控裝置維持至少部分的該增益光纖的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。串聯的光纖雷射泵浦裝置可以將種子雷射光增益形成高功率雷射光。

Description

光纖雷射泵浦裝置、其方法及應用該裝置的高功率雷射裝置

本發明係有關於一種高功率雷射的泵浦裝置及其方法，特別是一種將雷射光泵浦成高功率雷射光的光纖雷射泵浦裝置(Fiber Laser Pumping Apparatus)及其方法。

高功率雷射的應用相當廣泛，例如精密加工的切割(Cutting)、燒結(Sintering)、焊接(Welding)、雕刻(Engraving)，還有非線性應用及生醫領域的應用。

產業採用的產生高功率光纖雷射光的方法有斷種，一種為將多個不同波長光子晶體光纖(Photonic crystal fiber)所產生的雷射光，運用光柵(grating)分光方式而整合為一高功率雷射光；另一種為將所產生的雷射光藉光纖雷射泵浦技術來增益放大，以產生高功率雷射光。

前述後者的光纖雷射泵浦技術通常會採用增益光纖，此增益光纖在使用上有增益效率不佳(即增益的能量與輸入的泵浦光能量的比值)、或需採用特殊材質的增益光纖(如 酸鹽(P₂O₅-Al₂O₃-ZnO)光纖)之情形。

有鑑於以上的問題，本發明提出一種光纖雷射泵浦裝置(Fiber Laser Pumping Device)、其方法及應用該泵浦裝置的高功率雷射裝置，能產生波長在1010奈米(nm)到1025奈米的高功率雷射光。

本發明之光纖雷射泵浦裝置包含泵浦光源、光結合器、增益光纖及溫控裝置，泵浦光源用以產生泵浦雷射光，光結合器用以結合泵浦雷射光及種子雷射光(Seed Laser)產生一匯集光，增益光纖用以接收並增益匯集光後輸出增益雷射光，溫控裝置用以維持至少部分的該增益光纖的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。

本發明之光纖雷射泵浦裝置包含種子光源及多個串聯的光纖雷射泵浦裝置，每一泵浦裝置包含泵浦光源、光結合器、增益光纖及溫控裝置，泵浦光源用以產生泵浦雷射光，光結合器用以結合泵浦雷射光及來自前一級泵浦裝置或來自種子光源的種子雷射光產生一匯集光，增益光纖用以接收並增益匯集光後輸出增益的種子雷射光，溫控裝置維持至少部分的該增益光纖的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。

本發明的泵浦雷射光的方法包含結合一種子雷射光及一泵浦雷射光為一匯集光；輸入該匯集光至一增益光纖；以及維持該增益光纖表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。

其中，泵浦雷射光之波長實質為915奈米或975奈米，種子雷射光的波長落在為1010奈米至1025奈米之間，增益光纖為摻鐿矽基光纖(Ytterbiunn-doped fiber)，增益雷射光的波長落在1010奈米至1025奈米之間。

藉由本發明的光纖雷射泵浦裝置及方法，能夠產生波長在1010奈米至1025奈米之間的高功率雷射光，且用來接收該匯集光的增益光纖前段的核心(core)並不會因吸收匯集光能量而融毀，同時得到高增益效率。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

10,10a,10b,10c‧‧‧光纖雷射泵浦裝置

12‧‧‧泵浦光源

14‧‧‧光結合器

16‧‧‧溫控裝置

160‧‧‧致冷元件

162‧‧‧容器

2022,24,26,28‧‧‧光纖

30,32‧‧‧光隔離元件

50‧‧‧高功率雷射裝置

90‧‧‧種子光源

第1圖，係為根據本發明光纖雷射泵浦裝置一實施例之結構示意圖。

第2A圖及第2B圖，係為根據本發明光纖雷射泵浦裝置實施例之溫控裝置運作與不運作之效果示意圖。

第3圖，係為根據本發明光纖雷射泵浦裝置在不同泵浦光源及溫控裝置不同溫度下的效果示意圖。

第4圖，係為本發明高功率雷射裝置一實施例的結構示意圖。

第5圖，係為本發明泵浦雷射光的方法一實施例的流程示 意圖。

以下在實施方式詳細敘述本發明之詳細特徵，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容、目的、優點並據以實施，以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。

請參閱「第1圖」，其為根據本發明光纖雷射泵浦裝置(Fiber Laser Pumping Device)一實施例之結構示意圖。光纖雷射泵浦裝置包含泵浦光源(Pump Source)12、光結合器(Combiner)14、增益光纖(Gain Fiber)28及溫控裝置16。

光結合器14用以接收來自泵浦光源12及種子光源(Seed Source)90的光線，種子光源90與光結合器14之間可以光纖20,22連接，其間可配置有一光隔離元件(30,Isolator，為便於說明，以下稱為第一光隔離元件)，第一光隔離元件30可以讓來自種子光源90的光線通過，但阻隔來自光結合器14的光線。

泵浦光源12與光結合器14藉由光纖24,26連接，兩者之間可以配置有一光隔離元件(32,Isolator，為便於說明，以下稱為第二光隔離元件)，第二光隔離元件32可以讓來自泵浦光源12的光線通過，但阻隔來自光結合器14的光線。

前述光隔離元件30,32之讓光線通過可以是讓 某個特定波長的光線通過或是全波長的光線通過。而光隔離器30,32的阻隔光線可以是阻隔某個光強度比例的光線，或是阻隔某一特定波長範圍內的光線。此實施例中配置有光隔離元件30,32，但實現本發明時，可選擇性地不配置光隔離元件30,32。

泵浦光源12產生泵浦雷射光(Pump Laser)，此泵浦雷射光之波長實質上可以是但不限於915奈米(nm)或975奈米。種子光源90產生種子雷射光(Seed Laser)，種子雷射光的波長落在為1010奈米至1025奈米之間。

光結合器14結合(或稱匯集)泵浦雷射光及種子雷射光產生一匯集光。此光結合器亦可以是光耦合器(Coupler)。此光結合器14係用以將泵浦雷射光及種子雷射光匯集而導引至增益光纖28。

增益光纖28接收並增益來自光結合器14的匯集光後輸出增益雷射光。增益光纖可以是但不限於矽基光纖(Si-based Fiber)或摻鐿矽基光纖(Ytterbium-doped fiber)。增益雷射光的波長落在1010奈米至1025奈米之間。前述的波長可以是但不限於主波長或是半高寬的波長。

溫控裝置16維持至少部分的該增益光纖28的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。溫控裝置16可以是一致冷元件160，此致冷元件160例如但不限於熱電冷卻器(Thermal Flectrical Cooler)，致冷元件160可與至少部分的增益光纖28 的表面接觸，致冷元件160在被致動時(被通以電流)，可維持增益光纖28的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。

溫控裝置16亦可以包含一容器162及一致冷元件160，容器162用以容置至少部分增益光纖28與致冷元件160，致冷元件可維持容器162之內部空間的溫度並使得增益光纖28的表面溫度被維持在攝氏-10度至-80度之間，若以室溫為攝攝氏25度為例，致冷元件160被致動時，使增益光纖28的表面溫度降一預定溫差，該預定溫差為攝氏35度至115度。此例子中的致冷元件160亦可以用其他能降溫的元件替代，並不以熱電冷卻器為限。

溫控裝置16維持增益光纖28的表面溫度，可以是維持整條增益光纖28的表面溫度，也可以是維持部分增益光纖25的表面溫度，以增益光纖28全長為7米(公尺)而言，以維持增益光纖28中用以接收匯集光的前段部分(即上游區段)為佳，前段部分可以是1米、2米、其他長度或7米；需維持表面溫度的長度可以視需求而定，此需求與增益光纖28吸收泵浦雷射光之功率有關，例如，吸收之泵浦雷射光比例高時，則長度愈長。

其次，請同時參考「第2A圖」及「第2B圖」，其為根據本發明光纖雷射泵浦裝置實施例之溫控裝置運作與不運作之效果示意圖。「第2A圖」是溫控裝置16未運作時，由增益光纖28輸出的增益雷射光的光譜圖，也就是增益光纖 28是處於室溫(約攝氏25度)下運作，而「第2B圖」是溫控裝置16運作時，將增益光纖28表面溫度維持在攝氏-10度的情形下，由增益光纖28輸出的增益雷射光的光譜圖。其中，增益光纖28是選用一般摻鐿矽基光纖，長度為7公尺，種子雷射光波長為1020.4nm，泵浦雷射光波長為975nm。從圖中可以看出，增益光纖28運作在常溫時，輸出的光波長為1036.7nm，而增益光纖28運作在攝氏-10度時，輸出的光波長為1022.9nm，明顯能把種子雷射光增益而不致於使其光波長變動。

接著，請參閱「第3圖」，其為根據本發明光纖雷射泵浦裝置在不同泵浦光源及溫控裝置不同溫度下的效果示意圖。「第3圖」為泵浦光源12的波長為975奈米，增益光纖28的表面溫度約在攝氏-70度的效果示意圖，其中，當泵浦光源12功率在13.5到20.5瓦時，可得到較大的1012奈米的光源輸出。由此圖中可以看出，種子雷射光在經由光纖雷射泵浦裝置10之增益後，其轉換增益效率(即最後雷射輸出的功率強度比上泵浦雷射光的功率強度)可達50%到60%。

由光纖雷射泵浦裝置10之試驗可得知，增益光纖28在攝氏-10至-80的表面溫度(或稱環境溫度)下運作，可以有效提高增益效果，其可能原因在於增益光纖中的增益離子(本試驗例中為鐿離子，Yb3+)的邁斯威爾-波茲曼(Maxwell-Boltzmann)分佈在前述溫度範圍下被改變了，也就是 說增益離子的居量數分佈變化，增益離子螢光生命週期(Fluorescence lifetime)被延長而達到抑制波長在1030奈米會產生的ASE(Amplified Spontaneous Emission，放大的自發性輻射，此放大的自發性輻射會在放大品中引發較大的雜訊)問題，同時也避免了增益光纖28接收匯集光的前段的核心(Core)的融毀。

請續參閱「第4圖」，其為本發明高功率雷射裝置一實施例的結構示意圖。高功率雷射裝置50包含一種子光源90與多個串列的光纖雷射泵浦裝置10a,10b,10c，其中泵浦裝置10a,10b,10c呈一維方式串聯，請同時參閱「第1圖」，每一泵浦裝置10a,10b,10c包含泵浦光源12、光結合器14、增益光纖(Gain Fiber)28及溫控裝置16。

泵浦光源12產生泵浦雷射光，光結合器14結合(匯集)來自該種子光源90或前一級的該泵浦裝置10a,10b的該種子雷射光與該泵浦雷射光而產生一匯集光；增益光纖28接收並增益該匯集光後輸出一增益的種子雷射光；溫控裝置16維持至少部分的該增益光纖28的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。

前述各光纖雷射泵浦裝置10a,10b,10c的泵浦光源12可以是個別配置的，亦可以是各泵浦裝置10a,10b,10c共用同一個泵浦光源12。也就是每個光纖雷射泵浦10a,10b,10c的泵浦雷射光都是由同一個泵浦光源12所提供。

在「第4圖」的高功率雷射裝置實施例中包含三個泵浦裝置10a,10b,10c，其數量並不以此為限，可以增加或減少，視所需高功率雷射光的功率而調整。

泵浦裝置10a,10b,10c呈一維方式串聯後，若以種子雷射光的行進路徑來命名，可分別命名為第一級泵浦裝置10a，第二級泵浦裝置10b，第三級泵浦裝置10c，其中第一級泵浦裝置10a的光結合器14用以結合(匯集)泵浦雷射光及來自種子光源90的種子雷射光並產生匯集光，輸出至第一級泵浦裝置10a的增益光纖28。

而第二級泵浦裝置10b的光結合器14用以結合(匯集)泵浦雷射光及來自第一級(即前一級)泵浦裝置10a的(增益後)種子雷射光並產生匯集光，輸出至第二級泵浦裝置10b的增益光纖28。

而第三級泵浦裝置10c的光結合器14用以結合(匯集)泵浦雷射光及來自第二級(即前一級)泵浦裝置10b的(增益後)種子雷射光並產生匯集光，輸出至第三級泵浦裝置10c的增益光纖28。

藉由前述串聯的泵浦裝置10a,10b,10c，可以使得來自種子光源的種子雷射光持續被泵浦而增強，最後得到高功率雷射。

接著，請參閱「第5圖」，其為本發明泵浦雷射光的方法一實施例的流程示意圖。泵浦雷射光的方法包含： S60：結合一種子雷射光及一泵浦雷射光為一匯集光；S62：輸入該匯集光至一增益光纖；以及S64：維持該增益光纖表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。

其中，泵浦雷射光之波長實質可為915奈米或975奈米，種子雷射光的波長可落在為1010奈米至1025奈米之間，增益光纖可為摻鐿矽基光纖，增益雷射光的波長可落在1010奈米至1025奈米之間。

前述維持增益光纖表面溫度之步驟(S64)可以在步驟S60之前或之後，也就是步驟S64可以在S60之前即開始，或是在S60與S62之間即開始，藉由此方法，即可得到增益雷射光強度(功率)之效果。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10‧‧‧光纖雷射泵浦裝置

12‧‧‧泵浦光源

14‧‧‧光結合器

16‧‧‧溫控裝置

160‧‧‧致冷元件

162‧‧‧容器

20,22,24,26,28‧‧‧光纖

30,32‧‧‧光隔離元件

90‧‧‧種子光源

Claims (13)

1. 一種光纖雷射泵浦裝置，其包含有：一泵浦光源，用以產生一泵浦雷射光；一光結合器，用以結合該泵浦雷射光及一種子雷射光(Seed Laser)產生一匯集光；一增益光纖，用以接收並增益該匯集光後輸出一增益雷射光；以及一溫控裝置，用以維持至少部分的該增益光纖的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射泵浦裝置，其中，該泵浦雷射光之波長實質為915奈米或975奈米，該種子雷射光的波長落在為1010奈米至1025奈米之間，該增益光纖為摻鐿矽基光纖(Ytterbium-doped fiber)，該增益雷射光的波長落在1010奈米至1025奈米之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述的光纖雷射泵浦裝置，其中，該溫控裝置包含一致冷元件，該致冷元件被致動時，維持該增益光纖的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述的光纖雷射泵浦裝置，另包含一第一光隔離元件，用以讓該種子雷射光通過至該光結合器並阻止來自該光結合器的光線。
5. 如申請專利範圍第4項所述的光纖雷射泵浦裝置，另包含一第二光隔離元件，用以讓該泵浦雷射光通過至該光結合器並阻止來自該光結合器的光線。
6. 如申請專利範圍第2項所述的光纖雷射泵浦裝置，其中該溫控裝置包含一致冷元件，該致冷元件被致動時，使該增益光纖的表面溫度降一預定溫差，該預定溫差為攝氏35度至115度。
7. 一種高功率雷射裝置，其包含有：一種子光源，用以產生一種子雷射光；以及複數個光纖雷射泵浦裝置，該些泵浦裝置呈一維方式串聯，每一該泵浦裝置更包含有：一泵浦光源，用以產生一泵浦雷射光；一光結合器，用以結合來自該種子光源或前一級的該泵浦裝置的該種子雷射光與該泵浦雷射光而產生一匯集光；一增益光纖，用以接收並增益該匯集光後輸出一增益的種子雷射光；以及一溫控裝置，用以維持至少部分的該增益光纖的表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述的高功率雷射裝置，其中，該泵浦雷射光之波長實質為915奈米或975奈米，該種子雷射光的波長落在為1010奈米至1025奈米之間，該增益光 纖為摻鐿矽基光纖，該增益雷射光的波長落在1010奈米至1025奈米之間。
9. 申請專利範圍第7項所述的高功率雷射裝置，其中，該溫控裝置包含一致冷元件，該致冷元件被致動時，維持至少部分的該增益光纖的表面溫度於攝氏-10度至-80度範圍內。
10. 申請專利範圍第7項所述的高功率雷射裝置，另包含一第一光隔離元件，用以讓該種子雷射光通過至該光結合器並阻止來自該光結合器的光線。
11. 如申請專利範圍第7項所述的高功率雷射裝置，另包含一第二光隔離元件，用以讓該泵浦雷射光通過至該光結合器並阻止來自該光結合器的光線。
12. 一種泵浦雷射光的方法，其包含有下列步驟：結合一種子雷射光及一泵浦雷射光為一匯集光；輸入該匯集光至一增益光纖；以及維持該增益光纖表面溫度於攝氏-10度至-80度之間。
13. 如申請專利範圍第12項所述的泵浦雷射光的方法，其中，該泵浦雷射光之波長實質為915奈米或975奈米，該種子雷射光的波長落在為1010奈米至1020奈米之間，該增益光纖為摻鐿矽基光纖，該增益雷射光的波長落在1010奈米至1020奈米之間。