TW453003B - A wavelength conversion laser and a machining device using the same - Google Patents

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4 53 Ο Ο 3 五、發明說明（1 ) [發明背景] 本發明係關於波長變換雷射裝置及雷射加工裝置，其 令此雷射裝置以具有高再製性之穩定方法產生高輸出功率 與高聚焦性之合成頻率雷射光束。 第15圖係顯不傳統之波長變換雷射裝置之構造簡 圖，舉例而言，如在日本公開特許公報第148〇96/1975號 (Takukaishon 50-1480961)中所顯示的。在第]5 圖 _，參 考數字1係表示對基礎波雷射光束（fundamentaMaser be⑽ 而言具有高反射率之雷射諧振鏡（laser res〇nat〇r , 數字3係表示固態活性介質，數字6C係表示二次諧波生 成波長變換晶體，7C係表示合成頻率生成（三次諧波生成） 轉換晶體，9為雷射譜振鏡，其對二次譜波雷射光束及基 礎波雷射光束而言具有高反射率，而18為對基礎波雷射 光束而言具有高反射率且對二次諧波和合成頻率雷射光束 而言具有高傳導性之反射鏡。 在第15圖所顯示之波長轉換雷射裝置中，將部份由 包含有雷射諧振鏡1、9和反射鏡18及固態活性介質3之 雷射諧振器所產生之基礎波雷射光束利用位於雷射諧振器 内之二次諧波生成波長變換晶體6C變換成二次諧波雷射 光束’且將部份藉此方式所產生之二次證波雷射光束和部 份的基礎波雷射光束利用合成頻率生成波長轉換晶體7C 變換成做為合成頻率雷射光束之三次諳波雷射光束。可從 反射鏡18分離出未波長變換之二次諧波雷射光束（2ω)和 三次諧波雷射光束（3 ω)。在如上所述之波長變換雷射裝置 II--.1 I-f I I Γ I X ------I --_-------.» (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費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1 310976 -4 53 0 03 A7 ____ B7 五、發明說明（2 ) 中，將合成頻率生成波長變換晶體和二次諧波生成波長變 換晶體插八雷射諧振器中以便產生合成頻率雷射光束藉 由交互調整各波長變換晶體之角度與溫度可將合成頻率雷 射光束之輪出最大化。 在如第15圖所顯示之情況中，藉由將合成頻率生成 波長變換晶體和二次諧波生成波長變換晶體插入雷射諧振 器中可建構用於產生合成頻率雷射光束之波長變換雷射裝 置。然而，波長變換效率會隨著波長變換晶體的角度與溫 度而改變，所以將導致在雷射諧振器内之基礎波雷射光束 之特性亦隨之改變；因此，要建構具有高再製性之此種裝 置是很困難的。建構此種裝置之複雜性及困難度遠較建構 基礎波雷射光束生成裝置及建構二次諧波雷射光束生成裝 置之複雜性及困難度要來得大，因為在其雷射諧振器内僅 具有一個波長變換晶體。再者’在Gazette專利第2654728 號等之中亦揭露有波長變換雷射裝置，在此其波長變換晶 體是放置在雷射諧振器中；然而如第15圖所顯示的，就 算應用這些裝置，亦很難提供具有高再製性之裝置。 在輸出功率變化是由波長變換晶體之角度和溫度決定 之波長變換雷射裝置中之上述複雜性，和在製造此裝置時 之不可避免的障礙’如零件的差異及個別操作者能力上之 差異’使得在工廠中製造和大量生產波長變換雷射裝置是 很固難的。再者’製造和維修裝置時所需之複雜工作程序 亦使得生產成本提高。另一方面，其需要專精之工作人員。 當將由上述波長變換雷射裝置所產生之雷射光束用於 C請先閱讀背面之注^一^項再填寫本頁) --- 裝-------訂------!線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 2 310976 經濟部智耷財產局員工消費合作社印製 4 53 0 〇 3 五、發明說明（3 ) 加工時’如果此雷射裝置之組成零件（如半導體雷射及用 於加壓光源之燈泡、⑱長變㈣晶體與如反射鏡等之光 件）損壞且必須更換時’必須對光學系統與講振器進行費 時之調整，因此即使是在相同操作條件下加工要重製與修 理前相同之加工結果有時是很因難的，此乃因為雷射裝置 無法重製出與修理前相同之狀態。 [發明概要] 依據本發明申請專利範圍第i項之波長變換雷射裝 置，其為藉由將二次諧波生成波長變換晶體和合成頻率生 成波長變換晶體放入雷射諧振器中而獲得合成頻率雷射光 束之波長變換雷射裝置，其特性為二次諧波生成波長變換 晶體之長度較所採用之合成頻率生成波長變換晶體為短。 再者，依據申請專利範圍第2項之雷射裝置，是與申 請專利範圍第丨項之雷射裝置是相同的，其特性為合成頻 率生成波長變換晶體是用於做為三次諧波生成波長變換晶 體。 更進一步，依據申請專利範圍第3項之雷射裝置，與 申請專利範園第1項之波長變換雷射裝置是相同的，其特 性為合成頻率生成波長變換晶體是由多個波長變換晶體做 成的。 依據申請專利範圍第4項之雷射裝置，是與_請專利 範圍第3項之雷射裝置相同的，其特性為合成頻率生成波 長變換晶體為兩個波長變換晶體，所以可產生四次諧波雷 射光束。 ---—Γ—il-IL-!t---I---— 訂 ---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格⑵G x 297公楚） 3 310976 W〇〇3 A7

五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 再者，依據申請專利範圍第5項之雷射裝置是與申 請專利範圍第1項之雷射裝置相同的，其特性為合成頻率 生成波長變換晶體是放置在固態雷射活性介質與二次諧波 生成波長變換晶體之間。 更進一步，依據申請專利範圍第6項之雷射裝置，是 與申請專利範圍第1項之雷射裝置相同的，其特性為將諧 振Q值調變元件放置於雷射諧振器中。 依據申請專利範圍第7項之雷射裝置，是與申請專利 範圍第1項之雷射裝置相同的，其特性是此裝置中，裝設 有可以不大於±0.1度之精確度’微調至少其中—個波長變 換晶體之角度。 再者’依據申請專利範圍第8項之雷射裝置，是與申 請專利範面第1項之波長變換雷射裝置相同的，其特性是 在此裝置中，裝設有可以不大於±〇 之精確度，微調至 少其中之一的波長變換晶體之溫度。 更進一步’依據申請專利範圍第9項之雷射裝置，是 與申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置相同的’其特 性是在雷射諧振器令放入一偏光控制元件。 依據申請專利範圍第10項之雷射裝置，是與申請專 利範圍第1項之波長變換雷射裝置相同的，其特性是以 Nd: YLF或Nd:YAF或Nd:YV04做為固態雷射活性介質。 依據申請專利範圍第11項之雷射裝置，是與申請專 利範圍第1項之雷射裝置相同的，其特性是至少以 LB0(LiB306)晶艎做為二次諧波生成波長變換晶艏或合成 ----*--i-1 — Γ!)裝--------.訂 ί,_-----線〆 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁》 本紙張尺度適用令國國家標準（CNSXA4規格（210x297公釐〉 4 310976 453 〇〇3 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 五、發明說明（5 ) ' 頻率生成波長變換晶體的其中一個。 再者’依據申請專利範圍第12項之雷射裝置，是與 申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置相同的，其特性 疋合成頻率雷射光束的平均輸出功率不低於1W。 更進一步，依據申請專利範圍第13項之雷射裝置， 是與申請專利範圍第〗項之波長變換雷射裝置相同的，其 特性是將二次諧波生成波長變換晶體與合成頻率生成波長 變換晶體整合成一個波長變換元件，所以能整體地改變二 次譜波生成波長變換晶體與合成頻率生成波長變換晶體之 溫度或角度。 依據申請專利範圍第〗4項之加工裝置是利用在申請 專利範圍第1項中所揭露之波長變換雷射所產生的波長變 換雷射光束做為光源來加工加工物之雷射加工裝置。 [圖式之簡短說明] 第1圖係顯示依據本發明實施例i至8之波長變換雷 射裝置的配置。 第2圖係顯示當頻率變換晶體是玫置在諧振器外部 時’在諧振器外頻率變換之情況下’二次諧波雷射光束之 平均輸出功率和波長變換體晶體之角度間關係之示意圖。 第3圖係顯示當頻率變換晶體是放置在諧振器内部 時’在諸振器内頻率變換之情況下，二次諧波雷射光束之 輸出功率和晶鱧角度間關係之示意圖。 第4圖係顯示利用放置於雷射諧振器内之二次諧波生 成/波長變換晶體和合成頻率生成波長變換晶體所產生之合 賴家辟-；-- 310976 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ! ^------

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五、發明說明（ 成頻率雷射光束之平均輸出功率和晶體角度之間的關係之 示意圖。 第5圖係顯示在使用長的二次諧波生成頻率變換晶體 之凊形下，二次諧波雷射光束之平均輸出功率和晶體角度 之間的關係之示意囷。 第6圖係顯示在使用短的二次諧波生成頻率變換晶體 之情形下’二次諧波雷射光束功率和晶體角度之間的關係 之示意圖。 第7圖係顯不在使用長的二次諧波生成波長變換晶體 之隋形下，合成頻率雷射光束之平均輪出功率和晶體角度 之間的關係之示意圖。 第8圖係顯不在使用短的二次諧波生成波長變換晶體 之情形下，合成頻率雷射光束之平均輪出功率和晶體角度 之間的關係之示意圖。 第9圖係顯不依據二次諧波生成波長變換晶體之長 度’其合成頻率雷射光束之功率變化的簡圖。 第10圖係顯示根據本發明實施例9之配置圖。 第11圖係顯示根據本發明實施例丨〇之配置圖。 第12圖係顯示根據本發明實施例u之配置圖。 第13圖係顯示根據本發明實施例丨2之配置圖。 第14圖係顯示根據本發明實施例13之配置圖。 第15圖係顯示傳統波長變換雷射裝置之配置圖。 [詳細說明] 里^例1 I I- I — I Γ !裝· — — — I 訂 ίΊ ------線 1 (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 費 合 作 社 印 製 度適用+ ®贿辟(CNS)A4規格（21〇37公£7 6 310976 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 453 003 A7 __B7 五、發明說明（7 ) 第1圖係顯示本發明實施例！之結構簡圖。在第1圖 中’參考數字1為對基礎波雷射光束而言具有高反射率之 雷射譜振鏡’ 2表示用於控制諧振器内基礎波雷射光束之 偏光的偏光器如Brewster板，3為固態雷射活性介質，4 為對基礙波雷射光束而言具有高反射率及對二次諧波雷射 光束而言具有尚穿透性之反射鏡，5為對合成頻率雷射光 束而言具有高穿透性且對二次諧波雷射光束和基礎波雷射 光束而言具有高反射率之反射鏡，6為用於產生二次諧波 雷射光束之二次諧波生成波長變換晶體’ 7為用於產生合 成頻率（或三次諧波）雷射光束之合成頻率生成波長變換晶 體’ 8為做為諧振器Q值調變元件之q值切換裝置，及9 為對基礎波雷射光束與二次諧波雷射光束而言具有高反射 率之雷射諧振鏡。再者，20係標示雷射振盪之光學轴。 如圖所示’將二次諧波生成波長變換晶體6在光學軸方向 上之長度/^設定為較合成頻率生成波長變換晶體7在光 學軸方向上之長度/3〇)短。 在第1圖所顯示之波長變換雷射裝置中，利用組構成 雷射諧振器之雷射諧振鏡〗和9、做為對基礎波光束而言 為可偏折光束反射鏡之反射鏡4及5、固態雷射活性介質 3、偏光器2和Q值切換裝置8產生線性偏光之基礎波脈 衝雷射光束，且將此光束之一部份藉由放置在雷射諧振器 中之二次譜波生成波長變換晶體6變換成二次諧波雷射光 束。將因此而產生之二次諧波雷射光束的一部份和尚未變 換成二次諧波雷射光束之基礎波雷射光束之一部份藉由放 ---------^--- 裝 - ---— — L 訂----------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 7 310976

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 r 4 53 0 03 五、發明說明（8 ) 置在雷射諸振器中之合成頻率生成波長變換晶體7而變換 成做為合成頻率雷射光束之三次諧波雷射光束從反射鏡 5中抽離因此而產生：；：次增油带姑止击μ、 一人漘政田射先束（3ω),且從反射鏡 4抽離因此而產生二次諧波雷射光束㈣。 在此’藉由本發明，第一次發現到將二次諧波生成波 長變換晶體6在光學軸方向上之長度乙，定為較合成頻 率生成波長變換晶體7在光學軸方向上之長度‘短，可 以降低由一次譜波生成波長變換晶體之角度與溫度在合成 頻率雷射光束產生所導致的負面影響，因而可提供高合成 頻率產生效率。下面的說明將解釋此一成就的原因所在。 為了說明在内部合成頻率生成中波長變換晶體之角度 和雷射光束之輸出功率的關係’首先將先對諧振器外之波 長變換做一說明’換句話說，當將波長變換晶體放置在諧 振器之外時’在二次諧波生成中波長變換晶體之角度與雷 射光束之輸出的關係。第2圖係顯示為二次諧波雷射光束 之輸出功率與波長變換晶體繞著相位匹配角度θ0的角度θ 之關係圖’其可見於文件、非線性光學晶體手冊， (Handbook of Nonlinear Optical Crystals”），（二版，修訂 及更新版（Springer Verlag))，等。波長變換晶體在水平軸 上之角度是以偏離相位匹配角0〇之角度差（θ-θ0)表示（此處 之基礎波光束之入射條件為常數在第2圖中’二次諧 波雷射光束輸出I，相位未匹配之數量ΔΚ及二次諧波生 成波長變換晶體之長度1三者間之關係是以下式表之： /〇c(sin(AA：^)/(AA：X))2 ⑴ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----!|訂--「-------線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） 8 310976 Α7 Β7 4&3〇〇3 五、發明說明（9 ) 、 在第（1)式中’相位未匹配之數量ΔΚ與偏離相位匹配角的 角度差（θ-θ0)成正比 ΔΚ<θ-θ〇) (2) 此處，相位匹配接受角度ΔΘ通常用來作為描述波長變 換晶體角度關係特性之數值《如第2圖所示，ΔΘ表在二次 譜波雷射光束之輸出功率為最大值輸出功率之一半時，其 角度間的角寬度。此處’由第（1)式與ΔΘ的關係，當从1 = 〇,886冗時’（Θ-Θ0)=ΔΘ。ΔΘ為用於波長變換晶體及其相位匹 配方法之固有值。 關於在 '"非線性光學晶體手冊〃（二版，修訂及更新

版（Springer Verlag))中所報導之特殊例子的數值，當LBO (LiB3〇5)型式1角度相位匹配了二次諧波生成時，ΔΘ=〇 34 (度X公分），及當KTP(KTi〇P〇4)型式2角度相位匹配了 二次諧波生成時，ΔΘ = 0.53(度X公分）。 當波長變換晶體之角度改變時’當祕= = ^ 時將出現一波峰’因此波長變換晶體的長度愈長，如第2 圖所示，其二次諧波之輸出波峰間隔和各波峰之寬度愈 窄’此結果導致當波長變換晶體之長度加長時，在二次諧 波生成波長變換晶髅是在所給定角度範圍内移位之情形 下，出現的二次諸波輸出功率之峰數增加a 在此’當二次諧波波長變換晶體是放在基礎波雷射諧 振器之外部以便實現二次諧波生成時，亦即，腔外之波長 變換情形，如第2圖所示在相位匹配角0。（式（ι)_从卜〇)的 二次諧波輸出較在其他波峰（式⑴中从么：±(2„ + 1)%(7ί = 12,3,)) ----------I! --------^----------^ , (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費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 9 310976 3 3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（10 ) 、

的二次諧波輸出要大得多；因此，在實際應用時可輕易地 實現此配置而不會引起困難D 依據上述說明’將以把二次諧波生成波長變換晶體放 在雷射諧振器内部以便實現波長變換為例子進行說明，亦 即’在腔内之波長變換情形。第3圖係顯示當只把二次諧 波生成波長變換晶體放在雷射諧振器内作為波長變換晶體 以便實現二次諧波生成時，其波長變換晶體之角度與二次 諧波雷射光束之輸出功率（線B)及腔内基礎波雷射光束之 功率（線A)的關係。為了做比較，虛線（〇係用於顯示當 利用相同的波長變換晶體實現腔外波長變換時所得到的角 度關係圖。在線B與C間之箭頭表示由腔外變換情形至 腔内變換情形時，其二次諧波雷射光束之輪出功率的變化 情形。 接下來之描述將討論第3圖中所顯示之特性的原因。 當將二次諸波生成波長變換晶體放置於雷射諧振器内部以 便藉由利用對基礎波雷射光束而言具有高反射率之反射鏡 所建構之雷射諧振器來實現二次諧波生成時，在諧振器内 以變換成二次諧波光束之基礎波光束功率之部份從諧振器 内抽離做為輸出。基此理由’增加二次譜波光束之變換效 率實際上如同增加基礎波光束的輸出耦合率（c〇upHng rate) ’反之’降低變換效率實際上如同減少輸出耗合率。 因此，當一次靖波光束的變換效率增加時，在諸振器内部 的基礎波光束功率便減少’而當二次諸波光束的變換效率 降低時*在諧振器内部的基礎波光束功率將增加。如第3 --— IP—.---l— 裝---11--1 訂—-.----•線 I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2.10x297公釐） 10 310976 453 0 03 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（u ) 圖所顯示，當二次諧波生成波長變換晶體的角度改變時， 諧振器内之基礎波功率在具有高波長變換效率之某一角度 (例如，相位匹配角θ0)時下降；反之，諧振器内之基礎波 功率在具有低的波長變換效率之某一角度時增加。在此， 二次諧波光束輸出功率等於（波長變換效率）及（腔内基礎 波光束功率）之乘積；因此，若與由虛線所顯示之外部波 長變換相比較’在腔内波長變換時，在具有較高波長變換 效率之角度時之二次諧波雷射光束之輸出功率與在具有較 低波長變換效率之角度時之二次諧波雷射光束輸出功率間 之差異變小。因此，如第3圖所顯示，除了相位匹配角0〇 之外的角度時（第（1)式中之从只=±(2«+1)%(„ = 1二3,……))和在 相位匹配角β。（第（1)式中之仏% = 〇)時，其二次諧波輸出功 率波峰之間的差異變小。因此，如第3圖所顯示，其輸出 並未具有很大差異之複數個波峰係出現在由第3圖所顯示 之二次譜波生成波長變換晶體角度上之二次错波輸出所決 定之角度上，其導致要藉由改變角度找出獲得最大二次諧 波輸出之角度是很困難的。在過去，並未實現對在腔内光 束功率之這些變化所引起的二次諧波雷射光束輸出與複雜 的波長變換晶體角度之關係進行詳細觀察。 再者，在腔内波長變換時，諧振器内由如上所述之二 次諧波生成波長變換晶體角度所決定之基礎波光束之功率 變動’在當將諧振器Q值調變元件放置於諧振器内以便 實現Q切換振盪器時’會變得很明顯，此乃因為其高波 長變換效率。在此情況下’由如上所述之波長變換晶體角 ----·-----r ---^--------* 訂----------線 I <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 11 310976 ! 453 003 A7 五、發明說明（12 度所決定之二次諧波輸出特性將變得报複雜。 緊接著將說明，假如實現合成頻率生成之配置為利用 在藉由具有上述特性之腔内波長變換為二次諧波生成建構 之同時’在雷射諧振器内加裝一個用於實現合成頻率生成 之合成頻率生成波長變換晶趙時’其合成頻率雷射先束之 輸出和二次諧波生成波長變換晶體之角度間的關係。第4 圖係顯示當在二次諧波生成波長變換晶體之角度改變時， 在諧振器内合成頻率雷射光束輸出（線…與基礎波雷射光 束功率（線A)之變化情形。為作比較，虛線（c)表示在腔 外變換情形下，二次諧波雷射光束功率。由於二次諧波雷 射光束輸出與（在波長變換晶體處之基礎波雷射光束強 度）2成正比，及由於合成頻率雷射光束輪出與（二次諧波 雷射光束在波長變換晶體處之強度）χ (基礎波雷射光束在 波長變換晶體處之強度）成正比’所以當比較由第3圖與 第4圖之虛線所表示之二次諧波輸出時，合成頻率雷射光 束之輸出較可能受腔内基礎波雷射光束功率變化的影響。 因此，如第4圖所顯示，當二次諧波生成波長變換晶體之 角度位於相位匹配角θ0 (第（1)式之從名二〇)時’與位於相 位匹配角Θ。周圍之波峰（第⑴式之（狀士仰+丨^^二〗，2,3, 時’其合成頻率雷射光束輪出之差異變比在二次諧波生成 時更小β因此，當與第3圖中之二次諧波輸出特性相比較 時’具有相近輸出之波峰數更為增加，導致其很難藉由改 變角度之方式找尋獲得最大合成頻率輸出之角度。 再者’當將二次諧波產生波長變換晶體之長度設定成 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------^訂---------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張&度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 12 310976 4 53 003 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7___ 五、發明說明（13 ) 、 較預定長度長時’如第4圖所顯示，在合成頻率生成波長 變換晶體處之二次諧波雷射光束強度在二次雷射諧波光束 輸出最高點之相位匹配角θ0處及其周圍變得更高，然而基 礎波雷射光束之強度卻下降，結果，如第4圖中a與b部 份所顯示’有時可從偏離而獲得最大二次諧波輸出之相位 匹配角0〇處得到最大的合成頻率雷射光束輸出。在此情形 下’可獲得更多相似的合成頻率雷射光束輸出的波峰。有 關波長變換雷射裝置之組合順序’首先，將構成雷射諧振 器之反射鏡之一設定為基礎波光束之部份穿透反射鏡，且 當將一部份的基礎波雷射光束抽離諧振器時，此光學元件 之配置使得雷射諧振鏡對基礎波輪出而言是最佳化的。其 後’將部份穿透反射鏡換成全反射反射鏡，且將二次諧波 生成波長變換晶插入雷射諧振器以便使光學元件與波長變 換晶體之角度對二次諧波雷射光束輸出而言是最佳化的。 然後’將合成頻率生成波長變換晶體插入雷射諧振器内， 所以可排列波長變換晶體與光學元件以便實現合成頻率生 成的輸出。在此’由於藉由將合成頻率生成波長變換晶體 插入雷射諳振器内而改變光學元件與波長變換晶體之最佳 角度’且因為用於二次諧波產生時之二次諧波生成波長變 換晶體的最佳角度並不需要與用於穩定且高輸出之合成頻 率生成的最佳角度一致，所以在很多情況下構成雷射諧振 器之一次諧波產生波長變換晶體與光學元件必須重新排 列。因此’當產生合成頻率雷射光束時，必須藉由改變二 次請波波長變換晶體之角度而實現用於找尋最佳角度之排 ----.----hlr!t--------，訂----------線. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ四？公釐） 13 310976 453003 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（14) 列程序。因此’對應於二次諧波生成波長 、 因為存在許多具有相同大小之合成頻率雷射：體之角度’ 在，將成為建構具有高重製性之穩定波 障礙。 衣置I王要 生裝：二！嘗試將在腔内波長變換合成頻率雷射光束產 生裝置的β成頻率雷射光束輸出增加到 光束變換到二次諧波光束之效率具有纟基礎波 力瑕佳值》換句話 說’並不愈高就愈^也就是說，當變以二线波光束 之效率太高，則基礎波光束減少，導致合成頻率光束輸出 功率降低。相反的，有關由基礎波光束及二次譜波光束變 換成合成頻率光束之效率，若其變成愈高時，所產生之合 成頻率雷射光束就愈大。以此方式’為了抑制變換成二次 諧波光束之波長變換效率並增加變換成合成頻率光束之波 長變換效率’將合成頻率產生波長變換晶體之長度設定為 較長，換句話說，將二次諧波生成波長變換晶體之長度設 定為較合成頻率產生波長變換晶體的長度短；因此，藉由 增加合成頻率生成效率，可建構具有高重製性之穩定波長 變換雷射裝置。此一事實是首先由本發明所披露。 接下來將討論由二次諧波生成波長變換晶體之合成頻 率輸出所決定之角度如何依據二次諧波波長變換晶體之長 度而改變。首先’第5圖和第6圓係分別顯示當二次諧波 波長變換晶體具有較長之長度和當其具有較短之長度時， 腔内基礎波雷射光束之功率（線Α)和二次諧波雷射光束之 功率（線Β)在二次諧波生成波長變換晶體之角度上之關係 -----nil· — »--- Μ.--------- ----------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張反度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ烈7公釐） 14 310976 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 463 003 ΚΙ ___Β7_ 五、發明說明（15 ) 圖’假設此時未插入合成頻率產生波長變換晶體。虛線（C) 表示在腔外變換時二次諧波雷射光束之功率。 比較第5圖及第6圖，為了如第2圖和第3圖所解釋 之相同原因’當比較第5圖時，假如第6圖中所顯示為二 次諧波生成波長變換晶體之長度較短，則因為二次諧波雷 射光束輸出（及基礎波雷射光束功率）之波峰（及弛度）間之 角寬度與角間隔變寬’所以使得由波長變換晶體之角度所 決定之二次諧波雷射光束輸出逐漸改變，且其波峰數減 少。因此’藉由使用較短的二次諧波生成波長變換晶體， 可簡化波長變換雷射光束輸出和二次諧波生成波長變換晶 體角度之關係’並可以得到易調整的雷射裝置。 再者，第7圖及第8圖係分別顯示當二次諧波波長變 換晶體具有較長之長度和當其具有較短之長度時，二次諧 波生成波長變換晶體之角度和合成頻率輸出功率（線B)之 關係圖，假設此時將合成頻率產生波長變換晶體插入諧振 器内以便產生合成頻率雷射光束。為了比較，虛線（C)表 示二次諧波雷射光束之功率。比較第7圖與第8圖可得知， 以與前述在諧振器内部之二次諧波生成相同之方法，假如 二次諧波生成波長變換晶體為如第8圖所顯示具有較短之 長度，其二次諧波雷射光束強度（及腔内基礎波雷射光束 功率）之波峰（凹處）角寬度及波峰（凹處）間隔都加寬，且其 波導數減少。因此，提供具有較簡單的二次諧波生成波長 變換晶體角度關係且可輕易操作之雷射裝置是有可能的。 有關特定數值，舉例而言’在使用相位匹配LB0(LiB305) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐1 15 310976 ----.----l· — .— Μ--------訂----------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7 4 弓3 Ο 03 --------Β7________ 五、發明說明（16 ) 型1之情形下，由第（1)式得 、^八侍知當晶體長度為ί 5mm時， 則約每論ad出現-波峰，而當晶體長度為5龍時則 約24mrad出現肖度較寬的波峰；且在實際測量與這些 波峰的間隔在實質上是一致的。 再者，如第4圖中所解釋，當使用較長的二次譜波生 成波長變換晶體時，在合成頻率生成波長變換晶體處之二 次諸波㈣光束強度在二:欠雷射譜波光束輸线高點之相 位匹配角Θ。處及其周圍變得更高，因為從基礎波雷射光束 波長變換成二次諧波雷射光束之波長變換效率太高所以 使諧振器内之基礎波功率降低，其結果如第7圖所顯示， 在由二次諧波生成波長變換角度決定之合成頻率雷射光束 輪出特性上出現其它的波峰。相反地，如第8圖所顯示， 藉由使用較短的二次諧波生成波長變換晶體，在相位匹配 角％及其周圍處之從基礎波雷射光束波長變換成二次错波 雷射光束之波長變換效率降低以致於基礎波雷射光束強度 增加；因此’建構可以在二次雷射諧波光束輪出變成最大 時之相位匹配角θ〇及其周圍處獲得最高的合成頻率雷射光 束輸出之雷射裝置是有可能的。 接下來的說明將討論所導致之合成頻率雷射光束輸出 如何隨一次错波生成波長變換晶艘之長度變化。第9圖所 顯示為當二次諧波生成波長變換晶餿之長度改變時，合成 頻率雷射光束輸出之變化關係，此時在用於如第1圖所顯 示之腔内波長變換合成頻率生成之結構中，合成頻率生成 波長變換晶體之長度13(3是固定的。如第9圓所顯示，相 =---^--------- ----------^ (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 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 16 310976 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 453 0 03 A7 _______ _________ B7 五、發明說明（I7 ) 對於二次諧波生成波長變換晶體’當在二次波長生成波長 變換晶體長度改變時監控合成頻率之輸出為何時存在一 可獲得合成頻率雷射光束之最大輸出的波峰（在第9圖中 具有長度1,的點）。且當將二次諧波生成波長變換晶體的 長度設定成不短A 1,時，大部情形下合成頻率輸出會輕 微地減少，至少說輸出不會大量增加。主要原因如下： (1) 用於降低基礎波腔内功率之效應變成大於增加二 次諧波輸出功率之效應。 (2) 因為二次諧波生成波長變換晶體之波長變換效率 增加而使得脈波寬度變長。 在此情形下，如稍早所述，當二次諧波生成波長變換 晶體之長度變長時，有一些波峰出現在由二次諧波生成波 長變換晶體角度所決定之合成頻率雷射光束輸出上’因而 導致調整困難之問題。 對於第9圖中所顯示之特性，給予由實驗證得之特定 數值。在如第1圖之相同結構中，將具有10mm長度 之二次塘波生成LB 0晶體做為合成頻率產生波長變換晶 體’且在具有數kHz重覆頻率和大約是5到〗合成頻 率光束輸出之雷射裝置中’其二次諧波產生波長變換晶體 之長度是變動的；因此’生成最大合成頻率光束功率的L 實質上等於3mm。再者’在二次諧波生成波長變換晶體 之長度不低於lOmmAJ的情形下，即使如第9圖所示加 長二次諧波產生波長變換晶體’輸出並未改善且其特性顯 示有輕微的減少。在此，經實驗證明二次諧波產生波長變 111---；--- ! I I I I* 訂------ - --線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 17 310976 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 453 Ο Ο 3 Α7 _____Β7_ 五、發明說明（18 ) 、 換晶體的角度出現如第7圖中所示之依存關係，使得調整 變成非常地複雜。如上所描述，已經實驗確定，當二次諧 波生成波長變換晶體之長度與合成頻率生成波長變換晶體 之長度比較下將前者縮短時，將可得到足夠的合成頻率輸 出功率並亦可使調整容易些。 再者，當將二次諧波生成波長變換晶體設定成較短 時’由基礎波雷射光束變換為二次諧波雷射光束之波長變 換效率降低，導致脈波寬度縮短且基礎波和二次諧波之波 峰強度變高（如應用物理期刊’第41期，第609頁所顯示 之”透過過耦合之内部二次諧波生成之脈波伸長，，）（J〇urnal of Applied Physics vol41, p609(Pulse Lengthening via

Overcoupled Internal Second-Harmonic Generation))。由 於合成頻率生成效率是與入射的基礎波光束及二次諧波光 束之強度成正比’所以安裝可用於加強由基礎波光束和二 次講波光束變換成合成頻率光束之波長變換效率之雷射裝 置是有可能的。 再者’波長變換晶體愈大時’要將其作成均勻晶體愈 困難D(波長變換晶體愈長時，晶體價袼就愈高因此， 使用較短的二次諧波生成波長變換晶體可降低成本且因此 可以低成本建構具有所需性能之波長變換雷射裝置。在 此’對於長度之最低限制，大約是設定在不低於〇 5mm， 該值疋在考慮波長變換晶體的製作限制與波長變換效率減 少之情形下所設定的。 再者’有關插入波長變換晶體之位置，在如第1圖所 ---------^--- ----- --訂·!-------線 1 (請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 18 310976 4 53 Ο 03 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 Α7 Β7 五、發明說明（19 ) 顯示之波長變換雷射裝置中，所進行之配置使得合成頻率 生成波長變換晶體7是位在固態雷射活性介質3與二次諧 波生成波長變換晶體6之間；在此配置中因為合成頻率輸 出功率是從反射鏡5抽離出，所以當基礎波與二次諧波從 反射鏡9反射並返回時，基礎波光束與二次諧波光束將僅 限於同時經過合成頻率波長變換晶體7 一次，這可減少因 波長變換晶體之溫度變化和角度變化而在合成頻率生成效 率上的負面效應，因而使得獲得穩定裝置是可能的。相反 的，當二次諧波生成波長變換晶體與合成頻率波長變換晶 趙的位置對調時，也就是二次諸波生成波長變換晶體是位 於合成頻率生成波長變換晶體與固態雷射活性介質之間， 當基礎波光束和二次諧波長從二次諧波生成波長變換晶體 上入射且由反射鏡9反射時，其同時通過合成頻率生成波 長變換晶體的次數將增加到二次’導致波長變換晶體的溫 度及角度對合成頻率生成效率之負面效應 射裝置不穩定。實際上，在第1圖中所示之結構中，= 使用具有5到1GW的合成頻率輸出功率及〜⑽旧脈衝波 寬度的Q脈衝波長變換雷射裝置，藉由將具有1〇職長 度之LBO晶體做為合成頻率(三次諧波)波長變換晶體， 和藉由將具有5mm長度之_晶體做為二次諸波生成波 長變換晶體，當改變合成頻率產生浊基 干度生波長變換晶體之溫度時 可發現波長變換雷射光束之輪出从 裰出功竿及腔内基礎波雷射光 束之輸出功率改變。結果顯示女哞人 兄許。成頻率輸出變成為最 大輸出之95%的溫度範圍（允許輪出， ____ 叮镯*在一較高溫度位準與 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格_Ϊ2：Ι0 X 297公爱 -------- 19 310976 ---^--- ^--------.訂----------線 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 53 003 A7 ___B7_____ 五、發明說明（20 ) 較低溫度位準下變為最大輸出的95%之溫度差）大約是1 到2度；而當波長變換晶體之位置對調時，溫度範圍變成 不超過0.3度因此可確定第1圖之結構是比較優越的。 實施例2 可將用於以不超出±〇·1度之準確度微調角度之裝置加 至第1圖所顯示之二次諧波生成波長變換晶體或合成頻率 生成波長變換晶體。通常’角度調節相位匹配型之波長變 換晶體（是一種主要以微調波長變換晶體的角度而達相位 匹配之波長變換晶體，直可依據波長變換晶體之角度而大 大改變相位匹配之條件）在操縱裝置時常需要微調波長變 換晶體的角度，因此，合成頻率輸出和波長變換晶體角度 之複雜關係，參考第2到8圖之說明，將大大地影響波長 變換裝置的操作。因此，當使用角度相位匹配型波長變換 晶體時，藉由缩短二次諧波生成波長變換晶體與合成頻率 生成波長晶體比較下之長度而獲得之效應將變為較大。在 一可如前實施例有完成微調角度精確度在不超出±0.1度的 機構之波長變換雷射裝置中，將二次諧波生成波長變換晶 體設定較總和頻率產生波長變換晶體為短，亦可提供—能 輕易操縱且有高再製性的雷射裝置。 實施例3

可將用於以不超出±0.5度（攝氏）之準確度微調溫度之 裝置加至第1圖所顯示之二次諧波生成波長變換晶體或合 成頻率生成波長變換晶體。有些波長變換晶體具有窄的溫 度容忍度’例如，當以三次證波生成型式2之相位匹配LBO -----.--I l· 1' - I I ---ΙΓ 訂·！ ----線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國囤家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 20 310976 4 53 003 A7 B7 絰濟邹智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（21) 晶體做為合成頻率生成波長變換晶體時，其溫度容忍度顯 示為3.7度（其為兩個溫度之溫度範圍，在此具有lcm長 度之晶體’當與在相位匹配溫度時之變換效率相比變換效 率降至一半）（如在、非線性光學晶體’，（二版，重新修訂 及更新版片（Springer Verlag) ’等）中所記載的。當使用這 種具有相當窄溫度容忍度之波長變換晶體時，有時必須控 制波長變換晶體之溫度’以便可建構一雷射裝置，其可將 輸出功率壓抑在一不會在實際使用中引起問題之範圍内， 其亦能避免因腔内基礎雷射光束功率增加所導致之波長變 換晶體之破壞，其中功率增加是由波長變換晶體内快速溫 度變化而在相位匹配條件導致之退化而引起的；且可長時 間穩定地操作之。在本實施例中，在波長變換雷射裝置中 提供可以不超過±〇_ 5度之準確度控制波長變換晶體溫度之 機構’將二次諧波生成波長變換晶體設定為較合成頻率生 成波長變換晶體短，所以能提供具高重製性且能輕易操縱 的穩定雷射裝置。 實施例4 有關用於如第1圖所顯示之波長變換雷射裝置之固態 雷射活性介質，可採用Nd:YAG。Nd:YAG是一種在化學 穩定性及機械強度上很優越之具有相當高之熱傳導性及熱 碎限制的雷射材料。再者，當與其它固態雷射活性介質相 比較’此材料能以低成本提供在光學上具有高品質之晶 體。將Nd:YAG應用做為固態雷射活性介質使得在低成本 下建構易操作之具有高再製性與伸縮性之雷射裝置。 I -------1 l· ! 裝— 1!' 訂.ιί—ί· 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙狀度適财_家而Τϋ)Α4規格（21G X 297公爱） 21 310976 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 53 Ο Ο 3 Α7 ----------- Β7___ 五、發明說明（22 ) 實施例5 有關用於如第1圖所顯示之波長變換雷射裝置之固雜 雷射活性介質，可採用Nd:YLFeNd:YLF具有小的轨透“ 鏡效應。通常，當使用㈣雷射活性介f建構雷射裝置時， 雷射的輪出由於固態雷射活性介質之熱透鏡焦距的變化而 變得：穩定。再者’當執行Q脈波振盪時，脈波到脈波 的穩定有時會下降。將具有這種小熱透鏡效應 < 趾YLF 應用做為固態雷射活性介質使得可建構一具有寬的可穩定 操作輪出範圍之可輕易操縱的穩定雷射裝置。再者如果 合成頻率生成是以Q脈波振盪的方法所完成，則建構具 有優越的脈波至脈波穩定度之裝置是有可能的。 實施例6 在第1圖中所顯示之波長變換雷射裝置可使用 Nd: YVO4作為固態雷射活性介質。Nd:YV〇4具有宽的波 長吸收寬度用以加壓光線與較大的激射截面積。應用 Nd‘YV〇4作為固態雷射活性介質可提供對加壓光線波長 的變化有一較高之容忍度。再者，因為寬的波長吸收寬度 及激射截面積’所以可提供高基礎波光束生成效率。再者， 當建構Q脈衝雷射裝置，由於激射截面積較大，就算是 藉由使用高重複率而執行Q值切換操作’亦可產生具有 較短脈波寬度之波長變換雷射光束。尤甚者，由於脈波寬 度較窄’所以可增加波長變換效率。應用具有上述特性的 Nd:YV04可提供能更輕易操縱之波長變換雷射裝置。 實施例7 1 ^---裝 -------"1-------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 22 310976 453 Ο 〇3 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 23 Α7 五、發明說明（23 )

第1圖中所顯示之波長變換雷射裝置可使用LBO (LiB3〇5)做為二次諧波生成波長變換晶體或合成頻率生成 波長變換晶體。若與其它晶體比較，LBO晶體有較高的 破壞臨限值；因此’其可產生具高輸出及高波峰脈衝之波 長變換雷射光束。再者，若與其它像KTP晶體之二次諧 波生成波長變換晶體比較，其由溫度所決定之折射常數中 具有較小的變動且具有較高的熱傳導性；因此，其不易受 熱產生的影響。更甚者，當與現在用來作為三次諧波生成 之P-BBO晶體比較，由於此材料具有較寬的相位匹配角容 忍度，所以可產生具有較高循環比率（定義為最小直徑除 以最大直徑）之合成頻率雷射光束。再者，因為它的高熱 傳導性，所以可以穩定方式產生具高輸出功率及高效率之 =成頻率雷射光束。藉由使用具有上述優越特性的Lb〇 晶截做為在第1圖中所顯示之二次諸波生成波長變換晶體 或合成頻率生成波長變換晶體，可建構具高輸出功率與高 效率且可輕易操縱之穩定波長變換雷射裝置。 實施例8 本發明之波長變換雷射裝置在合成頻率雷射光束平均 輪出不低於1W時特別有效率。當由合成頻率生成波長變 換b曰體及一次諸波生成波長變換晶體抽離出之波長變換雷 射光束的平均輸出功率變得較大時，在波長變換晶體上發 生熱變形，使得輸出功率變得不穩定且光學元件之調準變 得更困難。再者，由於固態雷射活性介質需被強力加壓以 ^加輸出功率’所以固態雷射活性介質也易受到像熱透 G氏张尺度適用中關家標準（CNS)A4規格⑵G x 29 t )' 310976 i«.--------.訂 ---------線 ftt先閱tt背irvii##-項再填寫本頁) A7 ^ 53 003 B7_____ 五、發明說明（24) 、 鏡及熱雙重折射影響而變形，因此導致輸出功率變為不穩 定及光學元件調準變得更複雜。再者，由於在光學元件上 的雷射光束之平均強度增加，光學元件較可能會損壞。更 甚者’波長變換晶體之相位匹配角會因溫度改變而變化。 特別是’當合成頻率雷射光束的平均輸出功率變為接近不 小於iw時’上述因元件熱變形所產生的負面效應將會使 顯著出現。在這種情況下’藉由縮短二次諧波生成波長變 換晶髏，可簡化依波長變換晶體角度而改變的特性，且即 使在熱變形效應下亦可實現具高再製性之配置。再者，由 於一次諧波生成波長變換晶體的相位匹配角容忍度被加 寬’所以即使相位匹配角因溫度變化而改變時，亦可將輸 出功率因相位匹配條件變化而導致之變化減少？如上所 述’本發明之波長變換雷射裝置發明中，可提供一裝置， 其是穩定的且就算在具有不低於1W之合成頻率輪出功率 之高輸出功率操作下，其具有高可靠度且可輕易操作。 實施例9 第10圖係顯示本發明實施例9之結構圖。在第1〇圖 參考數字4a為對基礎波雷射光束而言具有高反射率 及對二次諧波雷射光束和三次諧波雷射光束而言具有高透 射比之反射鏡’ 5a為對四次諧波雷射光束而言具有高透 射比，及對三次諧波，二次諧波與基礎波雷射光束而言具 有高反射性之反射鏡’ 6a為二次諧波生成波長變換晶體， 7a為第一合成頻率生成波長變換晶體，是第二合成頻 率生成波長變換晶體。二次諧波生成波長變換晶體6a 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A4規格（2]0 X 297公釐） I— —I— ----^I 訂—Γ----— -線 C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費合作社印製 310976 24 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 53 0 r Α7 ___Β7__ 五、發明說明（25 ) 長度較合成頻率生成變換晶體7a及10之長度短。 在第10圖中所示之波長變換雷射裝置中，一線性偏 光之基礎波脈衝雷射光束是由雷射諧振鏡1，9及反射鏡 4a’ 5a，固態雷射活性介質3，偏光元件2與Q切換元件 8所生成’且藉由放置在雷射諧振器内的二次諧波生成波 長變換晶體6a將此光束的一部份變換成二次諧波雷射光 束。將如此生成的二次諧波雷射光束的一部份及部份沒有 變換成二次諧波雷射光束之基礎波雷射光束利用放置在雷 射諧振器内之第一合成頻率生成波長變換晶體7a變換成 三次错波雷射光束。將如此生成的三次猎波雷射光束的一 部份及部份的基礎波雷射光束，利用第二合成頻率生成波 長變換晶體10變換成四次諧波雷射光束。由反射鏡53抽 離出如此生成之四次諧波雷射光束。三次諧波雷射光束與 二次諾1波雷射光束則是由反射鏡4a抽離出。 在第10圖中所顯示之波長變換雷射裝置中，除了用 於從基礎波雷射光束和二次諧波雷射光束生成三次諧波雷 射光束之合成頻率生成波長變換晶體7a外，將用於從基 礎波雷射光束和二次諧波雷射光束生成四次諧波雷射光束 之第二合成頻率生成波長變換晶體]〇插入雷射諧振器 内。在以上述方法建構之雷射裝置中，將二次諧波生成波 長變換晶體6a之長度L設定為較第一合成頻率生成波長 變換晶體7a的長度L和第二合成頻率生成波長變換晶體 10的長度^短，因此，可簡化由二次諧波生成波長變換 晶體角度決定之合成頻率雷射光束的輸出變化。在此，第 — — — — — —--— I— * I I — —tT· I ^--I I---線 C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 25 310976 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 ί 社 印 製 4 53 0 0 五、發明說明（26 ) 10圖舉出一在雷射諧振器内插入二個合成頻率產生波長 變換晶體的例子；然而，合成頻率生成波長變換晶體的數 目並不設限為2個。 實施例10 第〗1圖係顯示根據本發明實施例J 〇之構造圖形。在 第η圖中，參考數字3a，3b為固態雷射活性介質，而】i 為做為偏光元件之90。偏光迴轉裝置。 在具有第11圖中所顯示構造之波長變換雷射裝置 中，90。偏光迴轉裝置n，放在二個固態雷射活性介質& 和3b之間，是在波長變換雷射裝置中用來消除（補償）熱 雙重折射，其是由在固態雷射活性介質内部受加壓光線與 振盪雷射光束之影響而生成的熱所引起之偏光方向決定 的，因此加寬使合成頻率雷射光束以穩定方式產生的加壓 強度區域是有可能的，且可進一步改善穩定度及重製性， 亦可增加振盪效率。再者’在第u圖所顯示之合成頻率 生成裝置_，將二次諧波生成波長變換晶體6之長度設定 成較合成頻率生成波長變換晶體7短，所以可建構具高重 製佳且可易操縱之穩定雷射裝置。 實施例11 第12圖係顯示本發明實施例u之構造圖在第】2 圖中，參考數字12為包含有二個波長變換晶體之波長變 換疋件，也就是，將合成頻率生成波長變換晶體7b與二 -人諧波生成波長變換晶體6b藉由擴散接合或固定在相同 波長變換晶體支撐物i的方法予以整合。纟二次生成 ------------ 裝 - ----·!訂 ---I---線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適财國國家標準（CNS)A4規格⑵公髮） 26 310976 4 53 0 0 3 A7 B7 五、發明說明（27 ) 波長變換晶體與合成頻率生成波長變換晶體整體地放置在 一起之波長變換元件i2可提供一機構19,其可完成如整 體地改變溫度、將設定波長變換晶體之折射率（依溫度而 變）設定為預定值及微調角度等之相位匹配程序。再者， 將構成整合波長變換元件12的二次諧波產生波長變換晶 體6b長度設定為較合成頻率波長變換晶體71)短。 在第12圖所示之波長變換雷射裝置中’線性偏光之 基礎波脈衝雷射光束由雷射諸振鏡i，4與反射鏡5，9， 固態雷射活性介質3,偏光元件2及Q切換元件8所產生 的’且利用放置在雷射諧振器内之構成波長變換元件 之一次諧波產生波長變換晶艘6^將此光束之—部份變換 成二次諧波雷射光束。將如此生成的二次諧波雷射光束之 一部份與部份未被變換成二次諧波雷射光束的基礎波雷射 光束利用波長變換元件12中的合成頻率生成波長變換晶 體7b變換成合成頻率雷射光束。從反射鏡$抽離出如此 生成之合成頻率雷射光束，且從反射鏡4抽離出二次諧波 雷射光束。 在第12圖所顯示之波長變換雷射裝置中在製作其 一次諧波產生波長變換晶體6b與合成頻率生成波長變換 晶體7b是整合在一起之波長變換元件〗2時必需設定二 次諧波生成波長變換晶體6 b與合成頻率生成波長變換晶 體7b以便增加他們相位匹配角容忍度之重疊部份。在此， 已知波長變換晶體之相位匹配角是隨晶體的溫度而改變。 然而’通常，在二次諧波生成波長變換晶體6在合成 <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝---------訂ί·-------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適财國國木標丰㈣S)A4規格⑵Q χ 297公楚） 27 310976 經濟部智慧財產局員工消費合作社印*11农 Α7 -------- Β7 五、發明說明（28) 頻率生成波長變換晶體7b間改變角度之方法是有差異的 (相位匹配角改變之方向，和變動之大小）；因此，當以第 12圖所顯示之配置建構高輸出功率合成頻率生成雷*射褒 置時，將在波長變換元件12上發生由高平均輸出功率所 引起之溫度變化，結果使得二次讚波生成波長變換晶體^ 與合成頻率生成波長變換晶體7b間不同振幅和不同方向 之變動會引起相位匹配角之變化。為了即使這種情況下亦 能提供適當的相位匹配程序，必須將相位匹配角之容忍度 加寬到在實際應用時不會引起問題的位準。如第12圖中 所說明，在本實施例中，由於將二次諧波生成波長變換晶 體6b之長度設定成較合成頻率波長變換晶體7b之長度 短，所以可將二次諸波生成波長變換晶體之相位匹配角容 忍度設定的較寬，因此可輕易製作出波長變換元件12。 再者，可建構對相位匹配角度之變化而言具有足夠容忍度 之裝置’其中此變動是導因於在產生高輸出功率雷射光率 時所引起之溫度變化。 實施例12 第13圖係顯示本發明實施例12之構造圖。在此，為 取代在第i圖中的反射鏡4和5，採用如稜鏡以折射方式 將波長分散之雷射光束分離光學元件5b，且藉由使用雷 射光束分離元件，可執行做為合成頻率雷射光束之基礎 波、二次諧波雷射光束（第13圖中2ω)及三次諧波雷射光 束（第13圖中3ω)之分離。在此種配置中，亦能實現如第 1圖中的相同操作，且可提供具有高重製性之穩定雷射裝 --------^--------訂--.------•綠 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 28 310976 "53〇〇3 A7 I--- -B7__ 五、發明說明（29) 、 置。 ΑΑ例 13 第14圖係顯示本發明實施例13之構造圖。在第14 圖中’參考數字17是由任何一種在第1，1〇，11，12與 13圖中所顯示之任何一個波長變換雷射裝置所構成之雷 射光加工裝置。參考數字13是一雷射光束折光鏡，14為 如透鏡之雷射光束塑形及聚合元件，15是用來做為加工 的雷射光束而16則是加工物件。 在具有第14圖所顯示之配置之雷射加工裝置，由在 第1、10、11、12及13圖所顯示的任何一波長變換雷射 所產生之雷射光束是由折光鏡13所折射，由元件14 塑形及聚焦’且入射在加工物件16上做為加工用。 在具有第14圖所顯示結構之雷射加工裝置中，因為 使用由第1、10、11、12及13圖所顯示之任何一種具有 高重製性之波長變換雷射17穩定產生雷射光束，所以可 實現具高重製性之穩定加工程序。再者，當波長變換雷射 17之任何一個組成零件（光學零件如半導體雷射及加壓光 源中的燈泡，波長變換晶體，及反射鏡）損壞且需換修時， 即可輕易實現此配置且可在很短的時間内完成光學系統與 諧振器之調整；因此’可輕易地將雷射裝置恢復到修護前 之狀態並可以修護前相同之操作條件再產生修護前的加 工。以此方式，使用在第【、⑺^^^及^圖中所顯 示之任一種波長變換雷射裝置17之雷射加工裝置具有優 越的穩定度且可提供高重製性之加工。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ------ I 訂------姨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） 29 310976 4 53 Ο Ο 3 Α7 ____Β7_____ 五、發明說明（30 ) 具有上述配置之本發明展示了下面的效應。 根據本發明申請專利範圍第丨項之雷射裝置，其具有 將二次諧波生成波長變換晶體與合成頻率波長生成波長變 換晶艘放置在包含有固態雷射活性介質的雷射諧振器内之 雷射光學軸上的波長變換雷射裝置，其將在光學軸上的二 次諧波生成波長變換晶體的長度設定成較在光學轴上的合 成頻率生成波長變換晶體的長度短；因此，它可將由二次 諧波生成波長變換晶體角度所決定之合成頻率雷射光束的 輸出功率特性簡化，且因此可建構具有高重製性且易於操 縱之波長變換雷射裝置。 根據申請專利範圍第2項之雷射裝置，其與申請專利 範圍第1項之雷射裝置相同，係設計使得合成頻率生成波 長變換晶體可做為生成三次諧波雷射光束的波長變換晶 體；因此’它可將由二次諧波生成波長變換晶體角度所決 定之三次諧波雷射光束的輸出功率特性簡化，且因此可建 構具有高重製性且易於操縱之波長變換雷射裝置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 根據申請專利範圍第3項之雷射裝置，其與申請專利 範圍第1項之波長變換雷射裝置相同，其設計使得合成頻 率生成波長變換元件是由多個波長變換晶體所做成；因 此’它可將由二次諧波生成波長變換晶體角度所決定之合 成頻率雷射光束的輸出功率特性簡化，且因此可建構具有 高重製性且易於操縱之波長變換雷射裝置。 根據申請專利範圍第4項之雷射裝置，其與申請專利 範圍第3項之波長變換雷射裝置相同，其設計使得合成頻 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210^297公釐） 30 310976 453 Ο 03 Α7 ___________Β7 五、發明說明（3i ) 率生成波長變換晶體是由二個波長變換晶體所組成用以生 成四次諧波雷射光束；因此，它可將由二次諧波生成波長 變換晶體角度所決定之四次諧波光束的輸出功率特性簡 化，且因此可建構具有高重製性且易於操縱之波長變換雷 射裝置。 根據申請專利範圍第5項之雷射裝置，其與申請專利 範圍第1項之波長變換雷射裝置相同，其設計使得可將合 成頻率生成波長變換晶體排列在固態雷射活性介質與二次 諧波生成波長變換晶體之間的位置，因此，可提供具高重 製性之穩定裝置。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 尤甚者，根據申請專利範圍第6項之雷射裝置，其與 申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置相同，將其設計 成諧振器Q值調變元件是放在雷射諧振器内；因此，波 長變換效率變得較連績波操作時高。在此情形下，它也可 平緩與簡化由波長變換晶體角度和諧振器内基礎波功率變 化所決定之二次諧波輸出功率，因此可簡化合成頻率雷射 光束輸出功率對二次諧波生成波長變換晶體角度的相依關 係；因此’建構容易操縱之波長變換雷射裝置是有可能的。 根據申請專利範圍第7項之雷射裝置，其與申請專利 範圍第1項之波長變換雷射裝置相同，其設計使得可安裝 能以不超過±0.1度之準確度至少微調其中一波長變換晶體 角度之機構；因此’可輕易進行波長變換雷射裝置之處理， 其在傳統上由於複雜角度關係而使得此控制是困難的。 根據申請專利範圍第8項之雷射裝置，其與申請專利 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x 297公釐） 31 310976 A7 B7__ 五、發明說明（32) 範圍第1項之波長變換雷射裝置相同，其設計使得可安裝 能以不超過±0‘5度之準確度至少微調其中一波長變換晶體 溫度之機構；因此，可輕易進行波長變換雷射裝置之處理， 其傳統上需進行波長變換晶體之溫度控制且因波長變換晶 體之複雜角度關係而使得此控制是困難的。 根據申請專利範圍第9項之雷射裝置，其與申請專利 la圍第1項之波長變換雷射裝置相同，其設計使得偏光控 制元件是放置在雷射諧振器内，因此，可將穩定波長變換 雷射裝置改善成具有高重製性及高效率，以致於可具有較 高之重製性和較易操作。 根據申請專利範圍第10項之雷射裝置，其與申請專 利範圍第1項之波長變換雷射裝置相同，其設計成可使用 Nd:YAG或Nd:YLF或Nd:YV04做為固態活性介質；因此， 可將穩定的波長變換雷射裝置改善成具有高重製性，高效 率與短脈衝寬度，以致於可具有較高之重製性且較易操 作。 根據申請專利範圍第11項之雷射裝置，其與申請專 利範圍第1項之波長變換雷射裝置相同，其設計成至少可 使用LBO(LiB3〇5)晶體做為二次諧波生成變換晶體或合成 頻率生成波長變換晶體之其中一個；因此，可將穩定的波 長變換雷射裝置改善成具有高重製性和高產生效率，以致 於可具有較高之重製性且較易操作。 根據申請專利範圍第12項之雷射裝置，其與申請專利範 圍第Ϊ項之波長變換雷射裝置相同，將其設計成合成頻率 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝！----訂--.-----ί续 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 32 310976 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ____B7_____ 五、發明說明（33 ) 、 變換雷射光束具有不低於1W的平均輸出功率。在此一裝 置中’即使是在因熱變形’光學元件的損壞與波長變換晶 體中溫度的變化而導致相位匹配角有偏差之情形下，因為 二次諸波生成波長變換晶體是短的且相位匹配角容忍度是 寬的，所以就算是在平均輸出功率是高的情形下建構具有 高重製性與高生成效率之易操作的穩定波長變換雷射裝置 是有可能的 根據申請專利範圍第13項之雷射裝置，其與申請專 利範圍第1項之波長變換雷射裝置相同，將其設計成可將 二次諧波生成波長變換晶體與合成頻率生成波長變換晶體 整合成一波長變換元件以便可整體改變二次諧波生成波長 變換晶體與合成頻率波長變換晶體的溫度或角度。在此一 裝置中，就算波長轉換晶體因溫度變化所導致之相位匹配 角度容忍度變動方式不相同之二次諧波生成波長變換晶體 與合成頻率生成波長變換晶體是一體成形的，當二次諧波 生成波長變換晶體與合成頻率生成波長變換晶體遭受到溫 度變化時，使其配置可允許此二晶體的相位匹配角容忍度 重疊到一在實際使用上不會引起問題的位準；因此，可構 成一穩定的雷射裝置。 根據申請專利範圍第14項之加工裝置為利用由申請 專利範圍第1項所揭露之波長變換雷射裝置所生成之波長 變換雷射光束做為光源用來加工加工物件之雷射加工裝 置；因此’可提供能長時間穩定’卩高重製性及高精確度 執行加工之便宜加工裝置，且此裝置亦是容易維修的。 ------------- 裝------- - 訂----I ----線 <請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇χ 297公楚） 33 310976 Ηΰ « 3Ρ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

五、發明說明（34 ) [元件符號說明] 1、9 雷射諧振鏡 2 偏光器 雷射光束 3b 固態活性介質 5 > 5a 反射鏡 雷射光束分離光學元件 6b、 6c、 7、 7a、 7b、 7c、 10 晶體 Q值切換裝置 90°偏光迴轉裝置 波長變換元件 折光鏡 雷射光塑形及聚合元件 加工物件 波長變換雷射 反射鏡 雷射振盪光學軸 2ω、3ω ' 15 3 ^ 3a 4 ' 4a 5b 6 ' 6a 8 11 12 13 14 16 17 18 20 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

1 * 1 n l n u n 1 i n I— IP u j— I I 34(修王I) 310976

Claims (1)

1. ---—~ 第881 20111號專利申請案 申請專利範圍修正本 (90年5月4曰） 1· 種用於生成合成頻率雷射光束之波長變換雷射裝 置，包含有： 雷射諧振器； 固態雷射活性介質； 二次諧波生成波長變換晶體； 合成頻率生成波長變換晶體；以及 其中將二次諧波生成波長變換晶體沿著光學軸之 長度設定為較合成頻率生成波長變換晶體之長度短。 2-如申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置，其中合 成頻率生成波長變換晶體是做為三次諧波生成波長變 換晶體。 3. 如申請專利範圍第〖項之波長變換雷射裝置，其中合 成頻率生成波長變換晶體包含有複數個波長變換晶 體。 經濟部中央標準局員工福利委員會印製 4. 如申請專利範圍第3項之波長變換雷射裝置，其中合 成頻率生成波長變換晶體包含有二個波長變換晶體故 可生成四次諧波雷射光束。 5. 如申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置，其中合 成頻率生成波長變換晶體是位於固態雷射活性介質與 二次諧波生成波長變換晶體之間。 6. 如申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置，進一步 在諧振器中設有諧振器Q值調變元件。 ^紙張尺度適用中國國袁g準（CN s ) A4規格U10 X 297公釐) ' 1 310976

   如申睛專利範圍第〖項之波長變換射裝置’更包含有 角度調整裝置’以不超過±0.1度之準確度至少調整波 長變換晶體其中之一個的角度。 8.如申清專利範圍第1項之波長變換雷射裝置，更包含 有、溫度調整裝置’以不超過±0.5度之準確度至少調整 波長變換晶體其中之一個的溫度。 9·如申請專利範圍第丨項之波長變換雷射裝置，進一步 在譜振器中設有偏光控制元件。 10·如申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置，其中固 癌雷射活性介質是由Nd:YAG、Nd:YLF及Nd:YV04中 之其中一種所組成。 Π.如申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置，其中至 少將LBO(LiB3〇5)晶體當做二次諧波生成波長變換晶 體或合成頻率生成波長變換晶體。 12_如申請專利範圍第！項之波長變換雷射裝置，其中合 成頻率雷射光束的輸出功率不低於1瓦特（Watt)。 13.如申凊專利範圍第1項之波長變換雷射裝置，其中二 次错波生成波長變換晶體與合成頻率生成波長變換晶 體是形成於一整體波長變換元件中，所以可整體調整 波長變換晶體的溫度或角度° 14‘如申請專利範圍第1項之波長變換雷射裝置，其係作 為雷射加工裝置之光源以加工一工件。 本纸張疋度適用中國國家標準（CNS )A4規格（210X 297公爱) 3:0976