TW202215729A - 高功率光纖雷射結構 - Google Patents

Abstract

一種高功率光纖雷射結構，為一應用於高功率雷射放大器之泵浦源技術，主要包括一種子光源的雷射主波長落在～1020 nm之雷射二極體（Laser Diode, LD），此光源將經過一光隔離器（Isolator）進入由一泵浦源雷射器（Pump LD）、一光結合器（Combiner）及一鐿摻雜的增益光纖（Yb-doped fiber）組成之光纖式雷射放大器，並以一局部散熱該增益光纖之降溫裝置實現矽基光纖中輸出高功率1010～1020 nm雷射作為泵浦源之技術，而利用此散熱裝置調變該增益光纖周圍溫度。藉由此高功率雷射泵浦源設計減少增益光纖所產生之自發輻射放大（amplified spontaneous emission, ASE）與降低泵浦源在增益光纖端產生之熱累積。

Description

高功率光纖雷射結構

本發明係有關於一種高功率光纖雷射結構，尤指涉及一種利用一 局部散熱增益光纖的降溫裝置，實現矽基光纖中輸出高功率1010～1020 nm雷射作為泵浦源之技術，特別係指可減少增益光纖所產生之自發輻射放大（amplified spontaneous emission, ASE）並降低泵浦源在增益光纖端產生之熱累積者。

高平均功率光纖雷射已在精細材質加工、非線性應用及生醫上具 有相當潛力，而如何提昇至高平均功率光纖雷射輸出的挑戰技術有，如何「對熱聲子產生非線性效應抑制」、「製作穩定且高功率用的光纖元件」、「更多泵浦且有更佳的轉換效率」等，但各有其優缺點。

在現有相關技術中，列舉如下： 1.利用整合多段增益光纖來取代單一延伸的增益光纖，可減少光纖長度以降低雜訊。然而，多段增益光纖整合導致佔用空間體積較多，散熱不易，並且利用合束器匯合全部光能量，對於合束器耐受度要求極高。 2.使用濾光片作為雜訊過濾元件後使訊號純化，提高下一級放大雜訊比。然而，濾光片會使得雷射光過光效率太低，從而大幅提高製造成本。 3.採用異纖核光纖直接熔接提升雷射效能。然而，異纖核光纖著重於熔接品質，熔接點過光效率若太低，則容易造成光纖熔斷之損壞。 4.採用特定光纖幾何形狀控制V值（V-number），使光纖於小光纖與大光纖連接時，於高功率下獲得穩定訊號，並獲得良好模態。然而，特定光纖幾何形狀係 利用熔化光纖且施加拉力延展，以達塑型效果，但對於熔化溫度、延展拉力的控制非常不易，因此不利於標準化作業。

面對高功率雷射大量應用於汽車、航太及機械產業，目前使用多 段增益光纖整合、加裝濾光片及光纖塑形等工藝已無法滿足技術及市場需求。職是之故，鑑於習知技藝之各項問題，為了能夠兼顧解決之並有效提升產業技術發展，實有急待改進之必要，針對既有之缺失加以改良，發展一種能避免已知技術之方法與設備之缺點並且能夠進行符合實用進步性與產業利用性之方法與設備有其必要。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提 供一種改變增益離子邁斯威爾-波茲曼（Maxwell-Boltzmann）之分佈，實現矽基光纖中輸出高功率1010～1020 nm雷射作為泵浦源可能性之高功率光纖雷射結構。

本發明之另一目的係在於，提供一種抑制熱聲子產生之非線性效 應，使雷射輸出率增加且穩定，提高泵浦轉換效率，減少光纖熱吸收之高功率光纖雷射結構。

本發明之另一目的係在於，提供一種改變增益離子其＜ 1020 nm 波段（band）之居量數並增加螢光生命週期達到抑制1030 nm ASE產生之效果及降低泵浦源在增益光纖端產生熱累積（此易導致光纖核心融毀）之高功率光纖雷射結構。

本發明之另一目的係在於，提供一種實施架構簡單，例如使用單 一增益光纖，無需加裝濾光片及光纖塑形即可穩定訊號之高功率光纖雷射結構。

為達以上之目的，本發明係一種高功率光纖雷射結構，係包括： 一雷射二極體（Laser Diode, LD），其種子光源的雷射主波長落在～1020 nm，此一光源被利用為訊號種子光源（Signal Seed）；一光纖式雷射放大器，係由一泵浦源雷射器（Pump LD）、一光結合器（Combiner）及一鐿摻雜的增益光纖（Yb-doped fiber）組成，該雷射二極體輸出之光源係經過一光隔離器（Isolator）進入該光纖式雷射放大器，經適度控制局部散熱該增益光纖及調整該泵浦源雷射器之參數，改變鐿離子其＜ 1020 nm band之居量數並增加螢光生命週期達到抑制1030 nm ASE產生之效果及降低該泵浦源雷射器在該增益光纖端所產生之熱累積；以及一降溫裝置，係設在該增益光纖外部，用以調變該增益光纖周圍之溫度以提供局部散熱降溫。

於本發明上述實施例中，該高功率光纖雷射結構係輸出泵浦源波 長範圍從1010～1020 nm

於本發明上述實施例中，該降溫裝置係使用乾冰、液態氮或液態 氦其中一種低溫物質進行降溫。

於本發明上述實施例中，該降溫裝置調制溫差範圍係介於50～70 °C之間。

於本發明上述實施例中，該泵浦源雷射器之波長可為915 nm及 975 nm。

請參閱『第１圖～第５圖』所示，係分別為本發明之高功率光纖 雷射結構示意圖、本發明改變增益離子其＜1020 nm band之居量數分佈圖、本發明976 nm比較1012 nm之熱累積模擬圖、本發明局部散熱增益光纖降低1030 nm ASE產生之先期實驗圖、及本發明之1012 nm矽基光纖雷射最高紀錄圖。如圖所示：本發明係一種高功率光纖雷射結構，為一應用於高功率雷射放大器之泵浦源技術，係主要包括一雷射二極體（Laser Diode, LD）１、一光纖式雷射放大器２以及一降溫裝置３所構成。

上述所提之雷射二極體１種子光源的雷射主波長落在～1020 nm，此一光源被利用為訊號種子光源（Signal Seed），該光源將經過一光隔離器（Isolator）４進入該光纖式雷射放大器２。

該光纖式雷射放大器２係由一泵浦源雷射器（Pump LD）２１、 一光結合器（Combiner）２２及一鐿摻雜的增益光纖（Yb-doped fiber）２３組成，接收該雷射二極體１輸出之光源，經適度控制局部散熱該增益光纖２３及調整該泵浦源雷射器２１之參數，改變增益離子其＜ 1020 nm波段（band）之居量數並增加螢光生命週期達到抑制1030 nm自發輻射放大（amplified spontaneous emission, ASE）產生之效果及降低泵浦源在該增益光纖２３端所產生之熱累積。

該降溫裝置３係設在該增益光纖２３外部，用以調變該增益光纖 ２３周圍之溫度以提供局部散熱降溫，從而實現矽基光纖中輸出高功率1010～1020 nm雷射作為泵浦源之技術。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之高功率光纖雷射結構。

當運用時，本發明利用適當的泵浦源雷射器２１，連接光結合器 ２２，激發增益光纖２３達居量反轉出光，並使用降溫裝置３將增益光纖２３降溫。其中：

於一具體實施方式中，上述降溫裝置３可選用以乾冰、液態氮及 液態氦等低溫物質作為降溫方式，可調制溫差範圍為50～70°C之間。

於一具體實施方式中，上述泵浦源雷射器２１波長可選用為915 nm及975 nm，應用於高功率雷射放大器之1010～1020 nm泵浦源技術；可對輸出之雷射具有抑制1030 nm ASE之效果。

以下實施例僅舉例以供了解本發明之細節與內涵，但不用於限制 本發明之申請專利範圍。

本發明之實施架構如第１圖所示；以一個雷射主波長落在～ 1020.4 nm的雷射二極體１輸出之光源作為種子源輸入光纖式雷射放大器２，藉由局部冷卻增益光纖２３之方式；從室溫25°C降至約-10°C。

本發明所提技術可改變增益離子（本實施例為鐿離子；Yb ³⁺）其 邁斯威爾-波茲曼（Maxwell-Boltzmann）分佈，改變後期增益離子其＜ 1020 nm band之居量數分佈如第２圖所示；藉此增加增益離子螢光生命週期達到抑制1030 nm ASE產生之效果，並降低泵浦在增益光纖端所產生之熱累積（此易導致光纖核心融毀）如第３圖所示；且對應到模擬輸出之結果如第４圖所示，可知以1012 nm之泵浦熱分佈較為平坦化且在先期實驗結果成功降低1030 nm之產生如第４圖所示。

適度地控制局部散熱增益光纖及調整泵浦源雷射器之參數，從室 溫25°C降至約-80°C可成功輸出10 W等級平均功率之1012 nm之雷射輸出，是本發明目前所知之最高紀錄，如第５圖所示。

本發明採一嶄新概念，用意在於改變增益離子邁斯威爾-波茲曼 之分佈，實現矽基光纖中輸出高功率1010～1020 nm雷射作為泵浦源之可能性， 本發明利用局部增益光纖散熱用降溫裝置，改變增益離子其＜ 1020 nm band之居量數並增加螢光生命週期達到抑制1030 nm ASE產生之效果，輔以本發明發展已久之放大器技術，已成功輸出平均功率10 W級且中心波長落在約1012 nm之最高紀錄。藉由此高功率雷射泵浦源設計之新穎性，與前期實驗上的可行性，達到提升雷射平均輸出功率後可降低泵浦源在增益光纖端所產生之熱累積（此易導致光纖核心融毀）並降低1030 nm ASE之產生。

藉此，本發明係採用增益光纖降溫方式來抑制熱聲子產生的非線 性效應，從而減少非性線效應降低雜訊，使雷射輸出率增加且穩定，提高泵浦轉換效率並減少光纖熱吸收。所提實施架構簡單，例如使用單一增益光纖，無需加裝濾光片及光纖塑形即可穩定訊號。

綜上所述，本發明係一種高功率光纖雷射結構，可有效改善習用 之種種缺點，利用一局部散熱增益光纖的降溫裝置，實現矽基光纖中輸出高功率1010～1020 nm雷射作為泵浦源之技術，可減少增益光纖所產生之ASE並降低泵浦源在增益光纖端產生之熱累積，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定 本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡 單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

１:雷射二極體 ２:光纖式雷射放大器 ２１:泵浦源雷射器 ２２:光結合器 ２３:增益光纖 ３:降溫裝置 ４:光隔離器

第１圖，係本發明之高功率光纖雷射結構示意圖。 第２圖，係本發明改變增益離子其＜1020 nm band之居量數分佈圖。 第３圖，係本發明976 nm比較1012 nm之熱累積模擬圖。 第４圖，係本發明局部散熱增益光纖降低1030 nm ASE產生之先期實驗圖。 第５圖，係本發明之1012 nm矽基光纖雷射最高紀錄圖。

1:雷射二極體

2:光纖式雷射放大器

21:泵浦源雷射器

22:光結合器

23:增益光纖

3:降溫裝置

4:光隔離器

Claims (5)

1. 一種高功率光纖雷射結構，係包括： 一雷射二極體（Laser Diode, LD），其種子光源的雷射主波長落在～1020 nm，此一光源被利用為訊號種子光源（Signal Seed）； 一光纖式雷射放大器，係由一泵浦源雷射器（Pump LD）、一光結合器（Combiner）及一鐿摻雜的增益光纖（Yb-doped fiber）組成，該雷射二極體輸出之光源係經過一光隔離器（Isolator）進入該光纖式雷射放大器，經適度控制局部散熱該增益光纖及調整該泵浦源雷射器之參數，改變鐿離子其＜ 1020 nm波段（band）之居量數並增加螢光生命週期達到抑制1030 nm自發輻射放大（amplified spontaneous emission, ASE）產生之效果及降低該泵浦源雷射器在該增益光纖端所產生之熱累積；以及 一降溫裝置，係設在該增益光纖外部，用以調變該增益光纖周圍之溫度以提供局部散熱降溫。
2. 依申請專利範圍第１項所述之高功率光纖雷射結構，係輸出泵浦源波長範圍從1010～1020 nm。
3. 依申請專利範圍第１項所述之高功率光纖雷射結構，其中，該降溫裝置係使用乾冰、液態氮或液態氦其中一種低溫物質進行降溫。
4. 依申請專利範圍第１或３項所述之高功率光纖雷射結構，其中，該降溫裝置調制溫差範圍係介於50～70°C之間。
5. 依申請專利範圍第１項所述之高功率光纖雷射結構，其中，該泵浦源雷射器之波長可為915 nm及975 nm。

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