TW451537B - System and method for high-speed laser detection of ultrasound - Google Patents

Description

451537 A7 B7 五、發明說明（ 發明範圍 本發明係關於一供雷射光放大之系統及方法，及更特別 係關於提供放大自一固態雷射發射一雷射光束之系統及方 法，其係可提供較高之脈動率，改善指向穩定性，及可任 意改變脈動率以供不同之使用，其中包括材料非破壞性雷 射超音波測試。 發明背景 雷射光之放大係各種應用所需。在長距離電信應用中， r 如採用單一模式光纖時，通常係需要光學轉發器/放大 器，以增強下降之信號電平》在材料處理應用中係也需要 高功率雷射光以完成，如各種材料之切割及材料表面加 工，等功能。需要強能量雷射光脈動應用係採用某些提供 時變光學放大或雷射光強度調制之構型。 ; 一供放大雷射光束之方法係採用一雷射媒質，該媒質之

光學增益可藉光學抽運控制。一固態雷射媒質之光學抽運 係用於建立供需要高增益雷射應用能量倒轉分佈之普通與 傳統方法。該提供高增益雷射媒質，當光學抽運時，係可 包括材料，如按-釔-鋁金鋼砂（Nd3+:YAG)，按玻璃（Nd3+: 玻璃），摻餌光纖（Εγ3+:矽石），或紅寶石（Cr3+:A1203 )。該 等材料僅係供作高增益雷射媒質用之範例，及精於此技藝 者知曉，當光學抽運時，任何能保持能量狀態之材料係皆 可作光學放大器用。使用Nd3+: YAG作雷射媒質係極爲普 遍，因其實際光學增益接近所期望之1.064 μηι波長範圍。 此外，有關已知四電平轉變系統之倒轉分佈，Nd3+: YAG 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------*---- ϋ裝--- (請先1»讀背面之注意事項#填寫本頁)

SJ 經濟部智慧財產局貝工消费合作杜印製 45 1 5 37 Α7 Β7 五、發明說明（） 雷射媒質係提供抽運率之直線度，此係精於此技藝者所熟 知β 欲以一倒轉分佈經光學抽運飽和全部雷射媒質，傳統方 法係分佈大量之雷射二極體跨於雷射媒質表面，以形成— 抽運排列。自抽運排列個別雷射二極體發射之光係激勵該 雷射媒質及提供一非常高之光學増益，光學抽運能量轉變 電平，倒轉在高增益雷射媒質中，即接近Nd3+: YAG之 1_064 μιη範圍，接近Nd3+:玻璃之1.06 μιη範圍，接近Cr3+: Al2〇3之0.6943 μηι範圍，接近Εγ3+:矽石之1.55 μιη範圍， 等》 一完成雷射光放大及產生光學脈動之综合方法係利用一 雷射媒質之增益轉換。在提供高能量脈動雷射光束方法 中，一高增益雷射媒質之光學抽運本身係脈動，以產生一 高增益雷射媒質時變增益，雷射光束係其而傳播。此係一 原始雷射光源通過該以時變方式光學抽運之高増益雷射媒 質後，脈動輸出雷射光束之結果。 每一光學抽運週期係使該高增益雷射媒質通過一轉變， 該轉變主要係產生一足夠之能量狀態分佈經光學抽運至放 大門限。在光學抽運開始前，能量狀態分佈，初始係低於 門限及光學放大係不會發生《於以一放大模式操作高増益 雷射媒質相當時間後，光學抽運關斷，及能量狀態分佈隨 之耗盡β關斷光學抽運，分佈係降低至門限以下及光學放 大係中斷直至光學抽運恢復爲止及能量狀態分佈再次達門 限*該方法係提供雷射光放大可發生情況下之脈衝。該方 -5- 本紙張尺度適用中國圉家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------If---裝--- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂·. -線 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 451537 A7 ___B7___五、發明說明（3) 法係優於一僅阻止高放大雷射光束之方法，在該方法中， 設計考量係可不包括由於阻尼電磁能量進入光閘總成所致 之能量潛在損耗。事實上，很多其他優點係一機械光閘系 統+之電子元件而非機械元件》 另一種提供電予解答之方法係產生一高能量之脈動雷射 光束，以保持連續高增益雷射媒質之光學抽運及調制該高 增益雷射媒質之損耗係數。完成該損耗轉換之方法係以電 子調制一光學吸收器，該吸收器係配置在鄰近於高増益雷 射媒質之光學諧振器腔内。該構型係可使使用者控制雷射 光通過高增益雷射媒質之損耗，而非控制光學抽運發生之 率。精於此技藝者知曉，執行含於高増益雷射媒質中之雷 射光損耗轉換方法的變化係包括一電光晶體之電氣調制以 完成該雷射光束強度調制。 該方法係增益轉換方法之延伸，即一光學諧振器之門限 能量狀態分佈差係與該諧振器之損耗係數成正比。在該方 法中，該損耗係數係予調制，以於該高增益雷射媒質之光 學損耗過高難以保持振盪時，提供間歇期。結果係建立一 增加能量狀態之門限分佈，以維持振盪，假定該高增益雷 射媒質損耗增加。即使能量狀態分佈，於高增益雷射媒質-損耗係數未增加，足夠供振盪用，但當該損耗係數升高 時，在該期間中，係無光學放大發生。 當於一脈衝遇期轉換之際，損耗突然降低時，該損耗係 數，該能量狀態分佈係開始因光學損耗減少而耗盡。於該 期間中，該高增益雷射媒質係會放大雷射光，於損耗係數 • 6 - -1 — I I I I Γ I I h I - I I (請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) *SJ· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 451537 Α7 Β7 發明說明（4) 經濟部智慧财產局Μ工消貲合作社印製 最小期間，當能量狀態分佈超過振盪所需門限條件β但當 分佈繼續降低，該分佈係終於降低至供依照損耗係數2一 調制週期中最小期間振盪所需新建立之能量狀態門限以下。 執行高增益或損耗係數電子轉換之方法係 經常採抽運法μ吏用該光源執行光學抽運係 會出現一些非預期之影嚮’而限制高增益雷射媒質在提供 雷射光脈動，包括雷射光束最大脈動率及執行光學抽運所 需強度，方面之性能。該固有問題係可使需高脈動率之應 用面臨問題及遭遇有限功率之苦。 使用閃光燈知：供光學抽運所引發之其他問題係閃光燈寬 廣光譜寬度所產生之光，證明無效，即極大比例閃光燈產 生之光無法產生说量狀態之倒轉分佈。超出產生倒轉分佈 所需光譜密度以外，閃光燈所發之光係以發熱形式損耗於 高增益雷射媒質之中〇高增益雷射媒質之熱量本身係可產 生非預期之影嚮，光東指向錯誤及自動聚焦。高增益雷射 媒質之熱量係増高至使固態晶體斷裂而限制最大峰値或平 均之程度。 可在雷射放大器轉換之脈動率係受提供光學抽運之閃光· 燈物理特性的限制β閃光燈之電氣轉換通常係隨燈本身具 有知脈動率之上限係可藉部份強度電平決定，在 該電平閑光燈必須搡作，以產生—在門限以上之反能量狀 態分佈。例如，如能量轉變係接近該問光燈光譜密度之周 邊時’該閃光燈係需以極高功率電平操作，以產生該倒轉 尺度適用中國國家標準㈣S)A4規格（210 X 297公« > f靖先閱靖背面之itn項再填寫本頁) 丨ο裝 <. 線； 451537 A7 B7 五、發明說明（） 分佈。該情況係作週期，以避免閃光燈本身 過熱。 I I--- l,f 曹— --- {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外，該閃光燈係具有一開始光學抽運前之起動時間常 數。該常數係不會對其驅動電氣信號之垂直轉變立即反 應。結果’光學放大器之最大脈動率係受限於該閃光燈起 動時間常數。該閃光燈固有反應限制之另一結果係對使用 該雷射放大系統產生之脈動寬度具有較低之限制。該問題 係發生於該閃光燈相似之特性，即限制開起或關斷之速 度。所產生之最小脈動寬度經常係藉開啓而後即關斷閃光 燈之最短時間表示，包括考量該閃光燈起動時間常數及當 閃光燈關斷後，幅射之逐漸衰退。 線； 本發明係爲克服或消除已知超音波高速雷射偵測方法與 系統之問題及限制，而提供一系統及方法供雷射光束放大 自固態雷射，產生高脈動率，改善指向穩定性，及任意可 變脈動率，供非破壞性雷射超音波測試材料，以其他各種 不同之使用。 發明概述 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 根據本發明之一概念係提供一方法，供以一高脈 生放大之雷射光束，其包括產生一低放大晶種雷射光信· 號。該方法係更進一步包括傳送該低放大晶種雷射光信號 至一放元件。該低放大晶種雷射光信號係在放大元件藉激 發發射一抽運二極體提供之倒轉分佈放大。該放大步驟之 結果係產生一放太之雷射光信號。而後，該放大之雷射光 信號係引導至一輸出指定位置。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 451537 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 本發明係提供一放大固態雷射光及藉消除放大引起之變 形而雷射光物理特性的系統及方法。一具有所需物 理特性，包括一所需行寬之單一長模式的晶種雷射係通過 一高增益雷射媒質。該高增益雷射媒質係利用橫向分佈於 高增益雷射媒質之雷射二極體抽運排列以光學方式抽運》 驅動該抽運排列之電流可係一時變信號，該信號係提供時 變之光學增益及雷射媒質中之雷射條件。而後，該放大之 雷射光束係以符合含驅動雷射二極體抽運排列電流之時變 信號頻率的脈動率脈動。 本發明係可用於需特與革應用，該應用 係包括光學干涉量度法，該法係需要一具有非常穩定中心 頻率與行寬之單一縱長模式。就該應用而言，其中該初始 晶種雷射之純度係予放大，以產生一具有所需強度電平， 工作週期及脈動率之雷射光脈動流，及可使用一光學隔離 總成，以消除雷射光之背向反射至晶種雷射光源中。非預 期之寄生反饋中斷該晶種雷射源，而導致包括振幅噪音及 多模式操作之晶種雷射不利性能。該等效應傈對需要光譜 純度雷射源之應用不利"一熟知於精於此技藝者之可消除 原始光源背向反射之雷射光束光學隔離傳統方法，係包括. 一 Faraday旋轉器及二偏振器，其係僅以一方向提供光之 傳播，即該光之傳播係藉Faraday旋轉器提供之—極化光 波單向旋轉方式通過一光學隔離總成。 本發明係可包括額碎之(充學隔離總成_，提供原始雷射光 束之分離，以引導放大與脈動之輸出雷射光束或引導該原 -9- I II — It--1 ---- I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 ο -線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐） A7 B7 451537 五、發明說明（7) 始雷射光束多次通過該高增益雷射媒質，以得較單—通過 該高增益雷射媒質更放大作用。 — 本發明係可產生一放大且脈動之雷射光束，該光束係具 有與原始晶種雷勘相似之物理特性，丑包括一光學干涉量 度器元成超音波偵測所需之中心頻率與行寬β此外，酿動 放大雷射光束之輸出強度係可調制，以擴展—光學干涉量 度系統之偵測動態範圍。熟知於精此技藝者之包括 Pockels或Kerr效應晶體電光調制器係供提供一雷射光束 強度調制用。 本發明係提供一重要技術優點，即藉使用雷射二極體抽 運排列執行尚增益雷射媒質光學抽運。該方法係充許光學 抽運可在一用適當雷射二極體選擇之很窄波長範团中消除 ，光學所導致之雷射媒質加溫。該優點主要係因適當選擇包 .梦抽運排列之穿、射二極體在A特定波長區域内作光學抽 運，而不會引起高增益雷射媒質在光學抽運能量傳遞電平 以外幅射撞擊所致之熱量。 本發明係提供另一技術優點，即使脈動率最大化及控制 、利用複數雷射二極體抽運排列之光學抽運放大之脈動雷射 光束%勝堑I·度。本發明之最大脈動率係由雷射二極體開 啓與關閉之速度及充許之工作週期決定。 本發明係提供另一技術優點，即消除放大所致之晶種雷 射光束變形。多種應用，包括光學干涉量度法，係需要一 具有一致性波前及良好指向穩定性之高度放夭光束。 本發明係提供另一技術優點，即藉提供雷射光束輸出強 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ,„丨丨h丨ό裝.！ 〈請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂·- Ό 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 4515 37

經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 度調制，而擴展平涉量度系統之偵測動態範園。_圖式簡單栽J 爲使本發明及其優點更完全明睁， 尺兀£月嚟，係於下列參照隨附圖 式-同説明之’其中相似之參考號碼係表示該組件之特徵 相似，圖式包括： 圖i A係説明包括-光學隔離器之—極化選擇總成； _説明包括-提供雷射光束極化選擇引導之具有四 埠光學元件的一極化選擇總成； 圖2係説明能防止光學反餚及藉旋轉一半波片改變雷射 光強度變化之一雷射光源構型； 圖3係説明能防止光學反饋及藉利用一電光調制器改變 雷射光強度變化之另一雷射光源構型； 圖4係説明一包括四通道，雙棒雷射媒質脈動雷射光源 之本發明之一實例； 圖5係説明一包括二通道，雙棒雷射媒質脈動雷射光源 之本發明之另一實例； 圖6係説明一包括四通道，單片雷射媒質脉動雷射光源 之本發明之另一實例； 圖7係説明一包括四通道，雙片雷射媒質脈動雷射光源· 之本發明之另一實例； 圖8係説明一包括八通道，單片雷射媒質脈動雷射光源 之本發明之另一實例； 圖9 A係説明本發明之另一實例；及 圖9 B係説明本發明更進一步之另—實例β -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） ------If------裝--- {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂.· ο 線 -1 I I J-- 4 515 3 7 A7 B7 五、發明說明（） 發明詳細説明 (請先W讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明實例係以圖式説明’其中相似號碼係用以指示各 圖式中相似或對應組件之用β 本發明嗶提供一自_ gj ·態#射..放雷射光，並於消除放大 引起麇形〆1同時保持該雷射光物理特性的系絲^及^法。一 具有包括單一縱長模式與行寬所需物理特性之晶種雷射係 通過一高增益雷射媒質。晶種雷射源之中心頻率係可適當 選擇，以完成特定之應用，如需非常相干光之光學干涉量 度法。該高增益雷射媒質係以利用分佈於高増益雷射媒質 之雷射二極體抽運排列，以光學方式抽運。驅動抽運排列 之電流可係一時變信號，該信號係提供時變光學增益及雷 射媒質中之雷射條件。而後，放大之雷射光束係以對應於 含驅動雷射二極體抽運排列電流之時變信號頻率的脈動率 脈動β 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 圖1Α係説明一包括光學隔離器之極化選擇總成β 一 典型配置之光學隔離器係經第一偏振器12通過一雷射光 束18。而後’該偏振之光係通過一 Faraday旋轉器1 4。 Faraday旋轉器係提供偏振光以單向方式光學旋轉。即通 過Faraday旋轉器之該偏振光，不論雷射光束通過之傳播 方向爲何，係僅以一方今旋轉 例如，通過Faraday旋轉 器14之一雷射光束18係以雷射光束18箭頭所指方向順時 針旋轉，而後在雷射光束18箭頭所指方向中行進之雷射 光束1 8係也順時針旋轉。Faraday旋轉器14係熟知於精此 技藝者及係包括釔-鐵-金鋼砂（YIG)或铒-鎵-金鋼砂 -12- 本紙張尺度適用中0圉家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐〉 451537 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 五、發明說明（） (TGG)等多種材料。 該第一偏振器12係僅自輸入18傳送P·態之光’。通過 Faraday旋轉器14後，雷射光束18係旋轉45。。在Faraday 旋轉器之後係一半波片1 6 ’該片係提供一與Faraday旋轉 器1 4相對方向之額外4 5 °極化旋轉。以箭頭方向行進之 P -態極化光係具有一爲零之淨旋轉。一半波片及其操作 份熟知於精此技藝者。以雷射光束18箭頭方向行進之？_ 態極化光係無阻礙地通過該光學隔離器1 〇，但以與雷射 光束18箭頭相對方向行進通過該光學隔離器1〇之光（如隨 機散射之可能未極化光）係受阻播。此係因Faraday隔離器 使一極化光光束單向角旋轉之故。與雷射光束18箭頭相 對方向行進之光係藉一偏振器1 2極化之，而後通過一半 波片1 6及Faraday隔離器14作9 0°之淨旋轉。Faraday隔離 器14係以二偏振器12間差角一半之量旋轉該光，這樣， 當以雷射光束18箭頭方向行進之光，以垂直該偏振器通 過軸線之入射角與原第一偏振器12相遇時，係完全阻絕 通過光學隔離器10之背向反射》事實上，一光學隔離器 10係作一光學二極體或防逆閥之用。 圖1 B説明一極化選擇環行器總成，該總成係包括一四 埠光學元件11以提供一雷射光束極化選擇引導。一雷射 光束18係進入一極化光束分離器17中，在該分離器中， 該極化光係對正該極化光束分離器17之一軸線而通過， 及未對正該極化光束分離器1 7軸線之極化光即予剔退s 通過極化光束分離器17之雷射光束18部份係通過一 -13 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐> (請先閲讀背面之注意1C項再填寫本頁) d 裝 訂·

451537 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明（11) Farad ay旋轉器14，然後藉一半波片16引導該雷射光束 18。另一極化光束分離器I?係用以引導雷射光束18之其 餘部份至二次元件，該次元件係包括增益路徑雷射光束13 及孔徑雷射光束15。.四埠光學元件11係可使雷射光束18 元件在光學電路中轉向至不同之方向，同時消除與雷射光 束18箭頭相對方向之背向反射。 圖2係說明第一構型之雷射光源2〇，該構型之雷射光源 係可防止光學反饋及藉旋轉一半波片改變雷射光之強度變 化。雷射光源22係可包括一以連績波操作之單一縱長光 源。自雷射光源22發射之雷射光束18係予充分極化及一 半波片1 6係使該極化沿光學隔離器1 〇中之偏振器1 2預定 軸線校準。該構型係可消除任何進入雷射光源2 2之寄生， 不預期之背向反射雷射光，否則可導致雷射光源22波長漂 移及行寬加寬。半波片16係可對準該偏振器12之各不同 之入射角，以改變激勵雷射光源22及通過該光學系統的雷 射光束18之強度》精於此技藝者當確認，相當數量之光學 隔離器10係藉串聯可更進一步減低背向反射光進入雷射光 源2 2之可能性。 圖3係說明另一構型之雷射光源30，該構型之雷射光源 光係可防止光學反饋及利用一電光調制器改變雷射光之強 度變化* 一光學隔離器10係也可用於防止光進入雷射光 源22及導致前述之非預期影嚮。此外，一強度調制器32 係可配置在光學隔離器10之前方或者於其後方，以供調 制通過一光學電路之其餘部份雷射光束】8的強度。精於 -14- -------------裝· I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂* ο 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 451537 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消f合作社印製 五、發明說明（12) 此技藝者當認知，電光調制器係具有多種用途’其可作包 括利用線性電光效應之Pockels效應元件及利用二次電光 效應之Kerr效應元件的強度調制器32之用。一極普通可 作Pockels盒用之材料係LiNb03。 圖4係説明本發明一實例，該實例係包括一四通道，雙 棒（可能爲一根或“η”根棒，雙棒係僅作範例之用）雷射媒 質脈動雷射光源40。應注意，該光源40係可根據其他考 量用一根或多根棒形成。本實例係説明一發射雷射光束 18之雷射光源20，該光束係通過一隔離器〗0及藉一第― 鏡42引導通過一光束擴展器46擴展該雷射光束18之腰 部，以辦_除於通過固有Gaussian特性自由空間時之雷射光 束18之分散β而後，雷射光束18係通過四埠光學元件 11，在其中，該雷射光束18係引導至增益路徑雷射光束 13 »該增益路徑雷射光束13係通過二高增益雷射媒質 48 ’而後通過一相位改正板及一 Faraday旋轉器4 9，在該 處，雷射光束I 8之線性極化係旋轉4 5 °。 通常’包括玻璃材料如Nd3+:玻璃之高增益雷射媒貧、§ 係非晶性及非雙折射之材料，如Nd3+: YAG之半導體;料 於通過時係會減低雷射光束1 8之極今狀態。^高増益雷. 射媒質係光學雙折射時’使用片作相位; 即可改善系統之性能。相位改正板係可補^任何棒之雙折 射，該折和係因熱而引發。該高增益雷射媒質4 8係可包 括任何當光學抽運時能維持能態倒轉分佈之材料。而後自 一端鏡4 4反射而再次通過Faraday旋轉器49，在該處其係 ----------- 裝 j — --•靖先閲讀背面之注^^項再填寫本頁) . -15-

/ 451 5 37 A7 B7 /V 明說 明發 旋轉器49 ’在該處其係旋轉另一 45°，而垂直於原始雷 射光束1 8之極化。 — (請先閱讀背面之注意事項再填窵本頁) 而後，該反射雷射光束係二次通過高增益雷射媒質48及 進入四埠光學元件1 1中，在該處，其係引導進入孔徑雷射 光束15之方向及反射於一鏡42，在該處，其係通過一孔 4 3 ’該孔係有助於消除放大後之增益媒質自我發射所致的 自振。光束1 5係在端鏡4 4反射而折回其進入四痒光學元 件11中之路徑，在該處’係再經引導而通過高增益雷射媒 質4 8，以作第三次通過。而後，其係通過Faratjay旋轉器 49而至端鏡44 ’在該處，係再次反射而折回其通過 Faraday旋轉器49之路徑，並當原始增益路徑雷射光束13 首次通過高增益雷射媒質48時，轉換為相同之線性極化。 該增益路徑雷射光束13係而後第四次通過高增益雷射媒質 48及進入該四埠光學元件Π，在該處，其係以輸出雷射 光束19之方向引導而出。 經濟部智慧財產局負工消费合作社印製 每一高增益光學媒質4 8係以光學抽運，以產生一能態倒 轉分稀，其方式係藉供應電流操作該柚運排列51之雷射二 極體之二極體驅動器52驅動雷射二極體抽運排列51而產 生一觸發信號5 4係用以驅動操作雷射二極體抽運排列5 j 之該二極體驅動器52，以產生放大雷射光之脈動。脈動輸 出雷射光束19之脈動率係可直接藉脈動二極體驅動器52 之觸發信號54管制。光學抽運轉換係導致提供放大雷射光 脈動條件之高增益雷射媒質48增益轉換。其結果係一放大 之脈動輸出雷射光束1 9。 圖5係說明本發明另一實例，其係包括二通道，雙棒雷 -16 - 本紙張尺度適用1f7國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） 451537 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消费合作杜印製 14五、發明說明（） 射媒質脈動雷射光源5 0。本實例係明顯地相似於四通 道，雙棒雷射媒質脈動雷射光源40。其間主要不同之處 係在未配置四埠光學元件1 1，而係替代以一單一極化光 東分離器17 » 圖6係説明本發明另一實例，其係包括四通道，單片雷 射媒質脈動雷射光源60。本實例説明雷射光源20發射之 雷射光束18係以隔離器10隔離反饋及係經引導通過光束 擴展器46，以擴展雷射光束18之腰部，進而消除於通過 固有Gaussian特性自由空間時之雷射光束1 8乏分散》而 後，雷射光束18係通過極化光束分離器17，在其中，對 正於極化光束分離器17—軸線之極化光係予通過，而未 對正於極化光束分離器17 —軸線之極化光則再引導至雷 射光束19輸出方向。而通過極化光束分離器17之雷射光 束18係通過在一半波片16後方之Faraday旋轉器14及一第 二偏振器17，供引導雷射光束18通過高增益雷射媒質 48。片係因其表面幾乎成Brewsters角而設計成具有高效 率之P-狀態通道。該高增益雷射媒質48係可包括任何當 光學抽運時能維持能態倒轉分佈之材料。而後，自旋轉鏡 42反射。該反射之雷射光束係再自一第二旋轉鏡42，二. 次通過高增益雷射媒質48並引導至雷射光束15之方向， 而後於折回進入高增益雷射媒質48之路徑前，自端鏡44 反射以作第三次通過。而後反射至鏡44，在該處，再次 反射並折回通過高增益雷射媒質48之路徑，以作第四次 通過及進入偏振器17及半波片，以使雷射光束對正—預 -17- (請先09讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) d 裝 .線\/ 本紙張尺度適用中國0家楳準（CNS>A4規格（2】〇 X 297公釐〉 451537 經濟部智雜財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（15) 定之入射角。該雷射光束18係第二次通過Farady旋轉器 1 4 »於通過Faraday旋轉器14後，雷射光束18係旋轉並垂 直於該原始雷射光束。雷射光束18係進入極化光束分離 器17 ’在該處，其係經引導以輸出雷射光束19之方向通 過。 在本範例中，每一高增益光學媒質48係以光學抽運， 以產生一能態倒轉分佈，其方式係藉供應電流操作該二抽 運排列51之雷射二極體的二極體驅動器52驅動雷射二極 體抽運排列51而產生。爲產生放大脈動雷射光，一觸發 信號54係用以驅動二極體驅動器52，該驅動器係操作雷 射二極體之抽運排列51。脈動輸出雷射光束19之脈動率 係直接用脈動二極體驅動器52之觸發信號54的頻率管 制。光學抽運之轉換係導致高増益雷射媒質48增益轉 換，以提供一可發生雷射光放大之脈動條件。結果係得一 放大之脈動輸出雷射光束19。 圖7係説明本發明另一實例，該實例係包括四通道，雙 片雷射媒質脈動雷射光源7 0。本實例係明顯.地相似於該 四通道’單片雷射媒質脈動雷射光源60，在本實例中， 係使用與圖6範例所示相同數量之二極體。二者之主要不. 同處’在於本實例中係具有一第二片雷射媒質48及在高 增益雷射媒質48上配置之鏡總成72(鏡或塗層）^其結果 係一較圖6所示更有效之系統（每一二極體），而僅增加該 第二片之微小成本。 圓8係説明本發明另一實例，該實例係包括八通道，單 -18- 本紙張尺度適用中國困家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------ο裝--------訂· ί請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}

451537 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明（6) 片雷射媒質脈動雷射光源8 0。本實例係明顯地相似於該 四通道’單片雷射媒質脈動雷射光源60*其主要不同之 處係在本實例中具有複數旋轉鏡42引導雷射光束通過該 高増益雷射媒質48八次及鏡總成72(鏡或塗層）配置於該 高增益雷射媒質48之上。 圖9A係説明本發明另一實例。圖9八係包括具有一光纖 中繼線之放大器54遙控晶種。雷射光源20發射之雷射光 束18係以光·學隔離器1〇隔離反饋及引導進入輸入耦合光 學件與極化保留單一模式光纖。極化保留單一模式光纖係 耦合於放大器54，該放大器包括輸出耦合光學件。放大 器54(未包括輸出耦合光學件）係與圖6所示放大器相同。 圖4，圖5，圖7或圓8所示放大方法係也可使用。放大器 5 4之長期穩定性係藉雷射光束丨8之去耦而改善。如雷射 光束18雷射機“行進”而部份光仍耦合於極化保留單一模 式光纖時，放大器5 4之輸出係僅小量降低。 圖9B係説明本發明另一實例。囷9B係一具有内調制器 之放大器54遙控晶種。雷射光源20發射之雷射光束18係 以光學隔離器10隔離反饋。雷射光束18係輸入於振幅調 制器’相位調制器及其他光束/雷射處理元件。於輸入極. 化保留單一模式光纖之前，雷射光束18係輸入至輸入耦 合光學件。雷射光束18係自極化保留單一模式光纖輸出 至輸出耦合光學件。雷射光束1 8係以相似於圖6所示方式 放大。圖4，圖5，圖7或圖8所示放大方法係也可使用。 本發明係提供數項優點，包括藉使用雷射二極體執行光 -19- <請先《讀背面之注意事項再填寫本頁) ο 裝 •5J. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） Λ51537 Α7 Β7 17 五、發明說明（） 學抽運以消除向増益雷射媒質產生之熱量。使用在一極窄 波長區域中操作之雷射二極體係可以在撞擊高增益雷射媒 質所預期光譜以外，用傳統方法以小電磁幅射消除光學導 致雷射媒質所產生之熱量。 使用雷射二極體作光學抽運該高増益雷射媒質用係可提 供額外之優點，包括使脈動率更快且可變化。藉光學放大 及前述方式之脈動，本發明係也消除放大所致晶種雷射光 $變稩β結果，原始晶種雷射光束之物理特性係保留於放 大後之合成矢量，輸出光束中。本發明係提供包括光學干 涉量度法之多種應用所需之高度放大，光譜純輸出之雷射 光束。即使擴展本發明採用之一光學干涉量度器動態偵測 範圍，該輸出雷射光束之強度係也可調制。 雖本發明係已詳細説明，但應瞭解，各種修改，替代係 可在不脱離申請專利範園所説明之本發明精神與範圍下完 成。 0裝--------訂. <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 -20- 本紙張又度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2i〇 X 297公釐）

Claims (1)

1 1 如劭0808 451537 六、申請專利範圍 产動率產生放大雷射光束之方法，係包括步驟: 產生一低放大晶種雷射光信號，該信號係由一低放大 晶種雷射光源產生； 傳送該低放大晶種雷射光信號至一放大元件； 放大該低放大晶種雷射光信號，該放大係在放大元件 中，藉激發激發抽運二極體提供之倒轉分佈發射進行， 以產生一放大之雷射光信號；及 引導該放大之雷射光信號至一輸出指定位置。 2.根據申請專利範圍第1項之方法，其中該放大步驟係更 進一步包括在該放大元件中放大該低放大晶種雷射光信 號之步騍，該放大元件係包括抽運二極體，及藉反覆傳 送該低放大晶種雷射光信號使之通過該放大媒質方式放 大該低放大晶種雷射光信號。 3·根據申請專利範固第1項之方法，其中該引導步驟係更 進一步包括自一與該放大器共體之隔離器中抽取該低放 大晶種雷射光信號。 4_根據申請專利範圍第1項之方法，係更進一步包括該放 大元件與該低放大晶種雷射光信號隔離之步驟。 5. 根據申請專利範園第1項之方法，其中該放大步驟係更 進一步包括利用作該放大媒質用之二極體抽運棒放大該 低放大晶種雷射光信號之步驟。 6. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該放大步驟係更 進一步包括利用作該放大媒質用之二極體抽運片放大該 低放大晶種雷射光信號之步驟》 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -1-110¾.-----r--J 訂---------線 --* (請先閱讀背面之注項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8s§ 451 5 37 六、申請專利範圍 7. 根據申請專利範園第1項之方法，其中該產生步螺係更 進一步包括產生一連續波低放大晶種雷射光信號之步 驟’而且其中該放大步驟係更進一步包括放大該連續波 低放大晶種雷射光信號之步驟，以產生具有一預定増益 係數乘該該連續波低放大晶種雷射光信號之放大之最大 増益。 8. 根據申請專利範圍第1項之方法，係更進一步包括該放 大元件與該低放大晶種雷射光信號隔離之步驟，以防止 進入該低放大晶種雷射光源之反馈。 9. 根據申請專利範圍第1項之方法，係更進一步包括該放 大元件與該輸出指定位置隔離之步驟，以自該放大源抽 取該放大之雷射光信號。 10. 根據申請專利範固第1項之方法，係更進一步包括步驟： 傳送該低放大晶種雷射光信號經一光纖而至—隔離 器，該隔離器係與該放大元件成介面；及 傳送該放大之雷射光信號自該放大元件通過一光纖至 該輸出指位置。 % 11. 根據申請專利範園第1項之方法，其中該產生步螺係更 進一步包括產生該低放大晶種雷射光信號的微秒脈動之 步驟。 12. 根據申請專利範圍第1項之方法，其中該產生步驟係更 進一步包括產生該低放大晶種雷射光信號的可變脈動率 脈動之步骤。 雷射光束及產生一雷射光輸出脈動之系統， -22- 本紙張尺度適用辛國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） — i ^ ·------r---訂 --------線 (靖先閱讀背面之注意事項再填窝本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

A8B8C8D8 451537 六、申請專利範圍 係包括： 一晶種雷射光源’以提供一具有所需行寬之雷射光 束； 至少一光學隔離器配置在該雷射光束傳播路徑中，以 防止反射之雷射光反饋至該晶種雷射光源中： 一極化選擇總成’係對正該雷射光束傳播路徑，以依 一第一傳播方向引導該雷射光束之一第一極化狀態及以 至少一額外傳播方向引導該雷射光束之至少一額外極化 狀態及消除該雷射光束之該第一極化狀態或該至少一額 外極化狀態中任一狀態之背向反射；及 至少一抽運排列，該排列係包括複數雷射二極趙分佈 於一高增益雷射媒質上，對正於該雷射光束第一極化狀 態或至少一額外極化狀態中任一狀態傳播路徑，以光學 抽運該至少一高增益雷射媒質，使之在該至少一高増益 雷射媒質產生能態例轉分佈，以放大該雷射光束及產生 一雷射光輸出脈動。 κ根據申請專利範圍第1 3項之系統，係更進一步包括： 一二極體驅動器，係供應一電流至該複數雷射二極 體，作抽運該至少一高增益雷射媒質用；及 一觸發信號，係藉供應該觸發信號至該二極體驅動 器，供脈動該高增益雷射媒質之光學抽運用，以轉換供 應至該至少一抽運排列之電流。 15.根據申請專利範圍第1 3項之系統，其中該至少一光學 隔離總成係步包括： -23- 本張尺適用中國国家標準（cns〉A4規格（210 * 297公釐) ----------„-------r---訂---------線Q (猜先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 A8B8C8D8 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 六、申請專利範圍 一第一偏振器，係供極化該雷射光束用； 一 Faraday旋轉器，係提供該雷射光束之單向角旋轉； 及 一半波片，係使該雷射光束對正一第二偏振器之預定 入射角。 16‘根據申請專利範圍第1 3項之系統，係更進一步包括一 端鏡，係供反射該雷射光束返回並通過該至少一高增益 雷射媒質及進入該極化選擇總成，其中該極化選擇總成 係包括： —極化光束分離器，係配置在該光束之傳播路徑中； 及 一 Faraday旋轉器，係沿該光束之傳播路徑配置在該極 化光束分離器與該端反射鏡之間。 17.根據申請專利範園第1 3項之系統，係更進一步包括一 端鏡，係供反射該雷射光束返回並通過該至少一高增益 雷射媒質及進入該極化選擇總成.，其中該極化選擇總成 係包括： 一極化光束分離器，係配置在該光束之傳播路徑中； 及 一四分之一波片，係沿該光束之傳播路徑配置在該極 化光束分離器與該端反射鏡之間》 18·根據申請專利範圍第1 3項之季統，係更進一步包括一 端鏡，係供反射該雷射光束返回並通過該至少一高增益 雷射媒質及進入該極化選擇總成，其中該極化選擇總成 24 - 本紙張f度適用中0國家標準（CNS)A4規格（210 * 297公釐) --- r-------0¾.-----r---訂---------線 (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) Q 451537 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 係包括： 一第一極化光束分離器，係配置在該光束之傳播路徑 中； 一Faraday旋轉器’係在該第一極化光束分離器之後提 供該雷射光束之單向角旋轉； 半波片，係配置該雷射光束傳播路徑中，使該雷射 光束對正一第二偏振器之預定入射角；及 一四分之一波片，係沿該光束之傳播路徑配置在該第 二偏振器與該至少一端反射鏡之間。 19·根據申請專利範固第！ 3項之奉統，係更進一步包括一 端鏡，係供反射該雷射光束返回並通過該至少一高增益 雷射媒質及進入該極化選擇總成，其中該極化選擇總成 係包括： 一第一極化光束分離器，係配置在該光束之傳播路徑 中； 一 Faraday旋轉器，係在該第一極化光束分離器之後提 供該雷射光束之單向角旋轉； 一半波片，係配置該雷射光束傳播路徑中，使該雷射 光束對正一第二偏振器之預定入射角；及 至少一額外Faraday旋轉器，係沿雷射光束傳播路徑配 置在該第二極化光束分離.器與該至少一端反射鏡之間。 20. 根據申請專利範圍第1 3項之系統，係更進一步包括— 光束擴展器，供消除該雷射光束發散用》 21. 根據申請專利範圍第1 3項之系統’係更進一步包括複 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4現格（210 X 297公釐） 0¾ r---'訂---------^Q, (锖先《讀背面之沒意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Is Δ51537 六、申請專利範圍 數鏡’供引導及反射該雷射光束通過該雷射光放大系統 用。 22·根據申請專利範圍第1 3項之系統，其中該至少一高増 益雷射媒質係包括一固態雷射媒質’該媒貿具有一反射 總成供最大化該光學抽運用。 23_根據申請專利範圍第1 3項之系統，其中該至少一高增 益雷射媒質係包括一固態雷射媒質，該媒質係具有一射 入表面及一射出表面，以提供該雷射光束至少一預定入 射角及至少一預定出射角，進而提供該雷射光束通過該 高增益雷射媒質多條通道，同時保持該雷射光束於一單 一縱長模式。 24‘根據申請專利範圍第i 3項之系統，其中該至少一高増 益雷射媒質係包括一玻璃棒式雷射媒質，該媒質係可產 生一通過光學抽運之能態倒轉分佈。 21根據申請專利範圍第1 3項之系統，係更進一步包括— V - - · 電光晶體’該晶體係藉一信號處理器驅動，以調制該雷 射光束之密度》 26. 根據申請專利範園第！ 3項之系統，係更進一步包括一 半波片，以使該雷射光束沿一偏振器之至少一預定入射 角對正，以改變該雷射光束之密度。 27. 根據申請專利範圍第i 3項之t統，係更進一步包括一 溫度感應器’以監視該至少一高增益雷射媒質之溫度及 提供一溫度信號以最大化光學抽運之效率及保持晶種雷 射光源產生之該雷射光束至少一所需光學特性。 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) OI --線 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 3 5 4— 5 Λ A8B8C8D8 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 六、申請專利範圍 28.根據申請專利範圍第1 3項之系統，其中該至少一高增益 •雷質係包括一光學同位雷射媒質。 - 雷射光束及產生—雷射光輸出脈動之系統， 係包括： 一晶種雷射光源，以提供一具有所需行寬之雷射光 束； 至少一光學隔離總成係對正於該雷射光束傳播路徑， 以防止反射之雷射光反饋至該晶種雷射光源中，該總成 係包括： —第一偏振器，係供極化該雷射光束用； 一 Faraday旋轉器，係提供該雷射光束之單向角旋： 一第一半波片’係使該雷射光束對正一第二偏振器 之預定入射角：及 一第二偏振器，係供保持該雷射光束極化用； 一第一半波片’係對正於該雩射光束傳播路徑，欲供 沿該一第二偏振器之至少一預定入射角對正於該雷射光 束； 一光束擴展器，係對正於該雷射光束傳播路徑，供消 除該雷射光束發散用； 複數鏡，係供引導及反射該雷射光束通過該雷射光放 大系統用； 一第一極化光束分離器，係對正於該雷射光束傳播路 徑，以供以第一方向引導該雷射光束之一第一極化狀態 及以至少一額外方向引導該雷射光束之至少一額外極化 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐)

451537 A8B8C8D8 申請專利範圍 狀態； 至少一四分之一波片或一第二Faraday旋轉器係對正 於該雷射傳播路徑，以消除該雷射光束至少一極化狀態 之背向反射進入該極化光束分離器； 至少一高增益二極體抽運雷射放大器係對正於該雷射 光束之傳播路徑’以產生能態倒轉分佈而放大該雷射光 束，其係包括： 一高増益雷射媒質； 至少一抽運排列，該排列係包括複數雷射二極體分 佈於該高增益雷射媒質； 一二極體驅動器，係提供電流至該複數雷射二極體 作抽運該高增益雷射媒質；及 一觸發信號，係供脈動該高増益雷射媒質光學抽運 用，其方式係藉供應該觸發信號至該二極體驅動器，以 轉換電流而供應至該至少一抽運排列，進而轉換該高增 益雷射媒質之光學增益；及 一端鏡，係對正於該雷射光束之傳播路徑，俱反射該 雷射光束返回而通過該至少一高增益二極體抽運雷射放 (請先閱讀#面之注意事項再填寫本頁) J I I J . .-SJ· -線 σ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

雷射光束及產生一雷射光輸出脈 職II 係包括： 防止反射之雷射光反饋於一晶種雷射光源中，其中該 晶種雷射光源係藉使用至少一光學隔離總成配置於該雷 射光束傳播路徑中之方式提供一具有依需行寬之雷射光 -28 - 本紙張尺度適用中國0家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） A8B8C8D8 經濟部智慧財產局具工消費合作杜印製 六、申請專利範圍 束； 引導一第一極化狀態之雷射光束於一第一傳播方向及 藉一對正該雷射光束傳播路徑之一極化選擇總成引導至 少一額外極化狀態之雷射光束於至少一額外傳播方向， 其中該極化選擇總成係消除該雷射光束第一極化狀態或 至少一額外極化狀態之一的背向反射；及 光學抽運至少一高增益雷射媒質，其方式係藉至少— 抽運排列光學抽運對正該雷射光束第一極化狀態或至少 一額外極化狀態之一傳播路徑的一高增益雷射媒質，該 抽運排列係包括複數雷射二極體分佈於該至少一高増益 雷射媒質，以供產生一能態倒轉分佈，其中該至少一高 増益雷射媒質係供放大該雷射光束及產生一雷射光輸出 脈動。 31·根據申請專利範圍第3 0項之方法，係更進一步包括： 供應一電流至該複數雷射二極體，其方式係利用一二 極體驅動器光學抽運該至少一該高增益雷射媒質；及 脈動該高增益雷射媒質之光學抽運，其方式係供應— 觸發信號至該二極體驅動器轉換該供應於至少一抽運排 列之電流》 32. 根據申請專利範園第3 0項之方法，係更進一步包括使 用一光束擴展器消除該雷射光束之分散。 33. 根據申請專利範圍第3 0项之方法，係更進一步包括使 用複數鏡引導及反射該雷射光束通過該雷射光放大系 統β -29- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -----Γ — -----L----訂.；--------線Q'---- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

六、申請專利範圍 45t 537 § C8 34. 根據申請專利範圍第3 〇項之方法，其中該至少一高增 益雷射媒質係包括一固態雷射媒質，該媒質具有一反射 總成供最大化該光學抽運— 35. 根據中請專利㈣第該至少_高增 益雷射媒質係包括一固態雷射媒該媒質係具有一射 入表面及一射出表面’以提供該雷射光束至少一預定入 射角及至少一預定出射角，進而提供該雷射光束通過該 高增益雷射媒質之多條通道，同時保持該雷射光束之一 單一縱長模式》 36. 根據申請專利範圍第30項之方法，其中該至少一高增 益雷射媒質係包括一政璃棒式雷射媒質，該媒質係可產 生一通過光學抽運之能態倒轉分佈》 Γ----------r----訂---------線 〇--- (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 -30 - 本紙張尺度適用争國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）