TWI384711B - 被動式光纖雷射系統及雷射脈衝的產生方法 - Google Patents

Description

被動式光纖雷射系統及雷射脈衝的產生方法

本發明是關於被動式Q切換雷射，特別是關於以固定振幅為激發光源的被動式光纖脈衝雷射系統。

Q切換雷射為一種高功率脈衝雷射，分為主動式與被動式。主動式Q切換雷射需要提供外部電子驅動信號於光纖，以改變光的特性。該外部電子驅動信號需要極短的脈衝去驅動Q切換雷射的開關，而使該開關達到快速開啟與關閉的功能，然而產生該外部電子訊號的設備價格昂貴。被動式Q切換雷射則是以摻雜稀土(rare earth)金屬的晶體作為雷射脈衝的開關切換器，然而這些摻雜稀土金屬的光纖卻難以製作或取得。

美國專利第5652756號公開專利及美國第20060007965號公開專利的技術特徵皆非全光纖型的結構，光必須離開光纖，處理後在耦合回光纖，美國公開號第7130319號的技術特徵雖為全光纖型，但是必須使用主動式Q切換元件。

中華民國第96144909號專利申請，全光纖型被動式Q切換雷射，該專利則為全光纖型且為被動式Q切換雷射。

請參閱第一圖，其為習用全光纖型被動式Q切換雷射系統的示意圖。該全光纖型被動式Q切換雷射系統10包含一激發光源11、一激發光束12、一第一光柵13、一增益光纖14、一飽和吸收光纖15、一第二光柵16、以及一雷射脈衝17。

當該激發光束12激發該增益光纖14時，該增益光纖14會產生一自體輻射光束(未顯示)和一雷射增益光束(未顯示)，該第一光柵13全反射該自體輻射光束和該雷射增益光束至該第二光柵16，而於該第一光柵13與該第二光柵16之間共振。該共振雷射光(未顯示)經過該第二光柵16後，一部分輸出，一部分反射繼續共振。雷射脈衝的形成是從自體輻射光束的放大開始。該自體輻射光束經過該增益光纖14會被放大，而經過該飽和吸收光纖15會因被吸收而變小，使得自體輻射光束一開始被抑制而無法放大成雷射。但當該飽和吸收光纖15到達吸收飽和狀態後即不再吸收，此時自體輻射會在來回共振中被該增益光纖14快速放大，而形成該雷射脈衝17。該全光纖型被動式Q-切換雷射系統10的缺點是：提供的激發光源11必須是振幅可調變式的才能產生連續的雷射脈衝。

請參閱第二圖，其為習用全光纖式飽和吸收Q切換雷射系統的示意圖。該全光纖式飽和吸收Q切換雷射系統20具有一環型共振腔27之結構，該全光纖式飽和吸收Q切換雷射系統20包含一增益光纖21、一飽和吸收光纖22、一光循環器23、一光纖光柵24、一雷射脈衝28、一增益區域R_G 、以及一光強度強化區域R_E 。

該增益光纖21設於全光纖式飽和吸收Q切換雷射系統20之該增益區域R_G 內，該增益光纖21受一激發光源25激發而產生雷射光束輸出至光循環器23。該光循環器23接收該增益光纖21所輸出之雷射光，該光循環器23控制該環型共振腔27的共振方向，使光的方向只能從該光循環器23的端點A前進至端點B、以及從端點B前進至端點C。該光循環器23同時可排除該激發光源25，以避免該飽和吸收光纖22吸收該激發光源25。

該光纖光柵24設於該光循環器23之一輸出側，該光纖光柵24與該光循環器23共同作用而形成該全光纖式飽和吸收Q切換雷射系統20之該光強度強化區域R_E 。該光纖光柵24反射一部分的雷射光，使其透過該光循環器23的作用(從端點B前進至端點C)而反射回到該環型共振腔27，並輸出另一部分的雷射光。

該全光纖式飽和吸收Q切換雷射系統20還包含一分波多工器26，其設於該激發光源25之輸出側以利於將該激發光源25耦合進入該增益光纖21。該增益光纖21接收自該分波多工器26所導入之雷射光束而產生一自體輻射光束(未顯示)與一雷射增益光束(未顯示)輸出至該光循環器23，該飽和吸收光纖22吸收自光循環器23端點A前進至端點B的雷射光。經該飽和吸收光纖22吸收一部份後，剩下部份的光由該光纖光柵24反射一定比例的雷射光束(未顯示)，該定比例的雷射光束透過光循環器23的端點B至端點C之路徑而將該定比例的雷射光束反射回到該環型共振腔27進行共振，重複光從該分波多工器26進入該增益光纖26而從該光循環器23回到該分波多工器26的程序，該光纖光柵24輸出剩餘比例之另一部分雷射光。當該飽和吸收光纖22到達吸收飽和狀態時，即不再吸收來自該光循環器23的雷射光，而以高光強度產生該雷射脈衝28。然而該全光纖式飽和吸收Q切換雷射系統20的缺點是：該激發光源25必須為振幅可調變式的才能產生連續的雷射脈衝。

因此一種全被動式全光纖雷射系統被提出，只需要提供一固定振幅的激發光源就可以產生一連續雷射脈衝。

本發明為一種被動式光纖雷射系統，目的在於只需要提供一固定振幅的激發光源就可以產生一連續雷射脈衝。

根據上述構想，該被動式光纖雷射系統包含一光源、一增益光纖、及一切換器。該光源產生一固定振幅光束，該光源包含一第一部分與一第二部分。該增益光纖吸收該第二部分，用以產生一雷射脈衝。該切換器同時吸收該第一部分與放大該雷射脈衝。該固定振幅激發光源先經過該切換器，而被該切換器吸收該第一部分後，剩下部分為該第二部分，當該雷射脈衝經過該切換器並且被放大後，該切換器迅速降低該第二部分。

根據上述構想，該被動式光纖雷射系統擴展成具有環型結構的雷射共振腔，該被動式光纖雷射系統包含一光源、一雷射共振腔、及一增益器。該光源產生一固定振幅光束，該光源包含一第一部分與一第二部分。該雷射共振腔為一駐波雷射腔及一環型雷射腔其中之一。該雷射共振腔吸收該第二部分，用以產生一雷射脈衝。該增益器同時吸收該第一部分與放大該雷射脈衝。該固定振幅激發光束先經過該增益器而被該增益器吸收該第一部分後，剩下部分為該第二部分，當該雷射脈衝經過該增益器並且被放大後，該增益器迅速降低該第二部分。

依據上述構想，一種產生連續雷射脈衝的方法被提出，該方法包括下列步驟：(a)提供一第一固定振幅光束。(b)吸收該第一固定振幅光束一第一部分。(c)吸收該第一固定振幅光束光束的一第二部分，以產生一雷射脈衝。(d)放大該雷射脈衝以輸出該雷射脈衝。(e)回復到一初始狀態，重複(a)~(d)的步驟以輸出下一個雷射脈衝。其中在步驟(d)之後，還包含下列步驟：(d1)在該雷射脈衝被激發後，提供一第二固定振幅光束。(d2)吸收該第二固定振幅光束的一第三部分。(d3)吸收該第二固定振幅光束的一第四部分。

上述方法中，該第二部分為在該雷射脈衝被激發前該第一部分被吸收完後剩下的部分，該第四部分為在該雷射脈衝被激發後該第三部分被吸收完後剩下的部分。該第二固定振幅光束的振幅等於該第一固定振幅光束的振幅，該第二固定振幅光束的該第三部分大於該第一固定振幅光束的該第一部分，而該第二固定振幅光束的該第四部分小於該第一固定振幅光束的該第二部分。

藉由以上的被動式光纖系統及其產生雷射脈衝的操作方法，俾能達到只需提供一穩定的固定振幅光源，就能產生連續雷射脈衝的功效，其他的特徵及功效，可參閱過後文的實施方式後便能得到更進一步的了解。

請參閱第三圖，其為本案第一較佳實施例所提全光纖被動切換雷射系統的示意圖。該全光纖被動切換雷射系統30包含一飽和增益激發切換放大器31與一飽和吸收Q切換雷射系統32。該飽和增益激發切換放大器31包含一飽和增益激發切換器(SAPS)311與一分波多工器(WDM)310。該飽和吸收Q切換雷射系統32包含一增益光纖321、一激發源隔離器322、一飽和吸收Q切換器(SAQS)323、一固定振幅光束33、一第三光柵324、一第四光柵325、及一雷射脈衝34。該飽和吸收Q切換雷射系統32為一雷射共振腔。該增益光纖321、該飽和吸收Q切換器323、及該飽和增益激發切換器311皆為掺鉺光纖，但該增益光纖321的截面積比其他兩個大。

一激發光源(未顯示)的輸入與該雷射脈衝34的輸出皆經過該分波多工器310。該雷射脈衝34產生的週期分為一第一期間、一第二期間、一第三期間、及一第四期間。該激發光源提供一固定振幅光束33，在一較佳實施例中，該固定振幅光束33的波長為980奈米，且由一半導體雷射所產生(未顯示)。該固定振幅光束33包含一第一部分(未顯示)與一第二部分35，該固定振幅光束33先經過該飽和增益激發切換器311，且經過了該第一期間而先被該飽和增益激發切換器311吸收了該第一部分(未顯示)，剩下部分為該第二部份35，該第二部分35在接下來的該第二期間被該飽和吸收Q切換雷射系統32吸收。

該第二部分35經過該增益光纖321使該增益光纖321產生一自體輻射光束(未顯示)與一雷射增益光束36，該自體輻射光束經過該激發源隔離器322到達該飽和吸收Q切換器323，而被該飽和吸收Q切換器323吸收，使該自體輻射光束強度變小。該第四光柵325全反射該自體輻射光束，使其在該第三光柵324與該第四光柵325之間來回共振。

該激發源隔離器322的主要目的是使該飽和吸收Q切換器323不被該固定振幅光束33所影響。因為該增益光纖321為掺鉺光纖，而掺鉺光纖的能隙特性使光子受激輻射出1550奈米附近波長，該激發源隔離器322可讓波長在1530~1570奈米光子通過，且可將未被該增益光纖321完全吸收的部分過濾掉，以防止該飽和吸收Q切換器323提早受到激發而喪失功能。

該雷射脈衝34的形成是從該自體輻射光束的放大開始。該自體輻射光束在來回共振的過程中經過該增益光纖321而且該自體輻射被放大，而經過該飽和吸收Q切換器323會因被吸收而變小，使得該自體輻射光束一開始被抑制而無法放大成雷射脈衝。但當該飽和吸收Q切換器323到達吸收飽和狀態後即不再吸收，此時該自體輻射光束會在來回共振中被該增益光纖321快速放大，產生該雷射增益光束36，該雷射增益光束36經過該飽和增益激發切換器311的放大而從該分波多工器310輸出該雷射脈衝34。

在該雷射脈衝34出現前，該飽和增益激發切換器311被具有波長980奈米的該固定振幅光束33激發而與該增益光纖321一樣呈現高增益，此時該飽和增益激發切換器311對具有波長980奈米的該固定振幅光束33而言是低損耗。當該雷射脈衝34被產生後，該雷射脈衝34經過該飽和增益激發切換器311被放大，且同時增益飽和該飽和增益激發切換器311。所謂增益飽和(gain saturation)，即是指增益係數被降趨為零。

在該第三期間內，該飽和增益激發切換器311對該固定振幅光束33的該第一部分的損耗因為增益飽和的影響，瞬間由低變高，此時稱瞬間由低變高的該第一部分為第三部分，該第三部份即為該雷射脈衝34被激發後，該飽和增益切換器311吸收該固定振幅光束33的部份。如此一來導致進入該增益光纖321的該第二部分的強度在該第三期間被動地自動由高變低，此時被降低強度的第二部分稱為第四部分，該第四部份即為該第三部份被該飽和增益切換器311吸收後，進入該飽和吸收Q切換雷射系統32的部份。因為該第三部份瞬間由低變高，使該增益光纖321被激發的速度便被延緩，使得該飽和吸收Q切換器323有足夠的時間回復初始狀態，該初始狀態為該飽和吸收Q切換器323未吸收飽和的狀態。如此一來就可以在提供該固定振幅光束33的情況之下，該雷射脈衝34可以連續地被產生。

該分波多工器310負責將該固定振幅光束導入，且將被放大的該雷射脈衝34導出。經過具有波長980奈米的該固定振幅光束33激發後，該全光纖被動切換雷射系統30可連續輸出波長為1530奈米的該雷射脈衝34，該雷射脈衝34的脈波頻率在50Hz~1000Hz之間、最大脈衝能量為10微焦耳、脈衝寬度為50奈秒、以及最大瞬間脈衝功率可達200W。

請參閱第四圖，其為本案第二較佳實施例，具環狀結構的全光纖被動切換雷射系統的示意圖。該具環狀結構的全光纖被動切換雷射系統40包含一飽和增益激發切換放大器41及一飽和吸收Q切換環狀雷射腔42。該飽和增益激發切換放大器41包含一飽和增益激發切換器411與一分波多工器410。該飽和吸收Q切換環狀雷射腔42包含一分波多工器421、一分波多工器422、一光循環器424、一增益光纖423、一分功率器427、一飽和吸收Q切換器425、一第五光柵426、一固定振幅光束43、一雷射增益光束46、以及一雷射脈衝44。

一激發光源(未顯示)的輸入與該雷射脈衝44的輸出皆經過該分波多工器410。該激發光源提供一固定振幅光束43，在一較佳的實施例中，該固定振幅光束43的波長為980奈米，且由一半導體雷射所產生(未顯示)。該固定振幅光束43包含一第五部分(未顯示)與一第六部分45，該固定振幅光束43先經過該飽和增益激發切換器411而先被吸收了該第五部分(未顯示)，剩下部分為該第六部份45，該第六部分45被該飽和吸收Q切換雷射系統42吸收。

該第六部分45進入該飽和吸收Q切換環狀雷射腔42，經由該增益光纖423使該增益光纖423產生一自體輻射光束(未顯示)，該自體輻射光束經過該光循環器424到達該飽和吸收Q切換器425，而被該飽和吸收Q切換器425吸收，使該自體輻射光束強度變小。該第五光柵436全反射該自體輻射光束，使其在該飽和吸收Q切換環型雷射腔42內產生共振。

在該光循環器424之端點C的輸出側設有該分功率器427，其控制一定比例之雷射功率回到該環狀雷射腔42進行雷射共振，並輸出剩餘比例之雷射，例如本案較佳實施例為20%的雷射功率430回到該增益光纖423再被放大，80%的雷射功率429輸出至該分波多工器421。同樣的，當該飽和吸收Q切換器425到達吸收飽和狀態時，即不再吸收來自光循環器424的雷射光，而以高光強度產生該雷射增益光束46。

該具環狀結構的全光纖被動切換雷射系統40，在一次循環週期內，雷射光會經過光強度強化區域R_E 內的該飽和吸收Q切換器425兩次，使其平均強度達到其他區域平均強度的2至3倍，以使該飽和吸收Q切換器425快速飽和而呈透明狀，接著產生該雷射增益光束46，該雷射增益光束46經過該飽和增益激發切換器411再次被放大，而進入該分波多工器410，並且從該分波多工器410輸出該雷射脈衝44。

在該雷射脈衝44出現前，該飽和增益激發切換器411被具有波長980奈米的該固定振幅光束43激發而與該增益光纖423一樣呈現高增益，此時該飽和增益激發切換器411對具有波長980奈米的該固定振幅光束43而言是低損耗。當該雷射脈衝44被產生後，該雷射脈衝44經過該飽和增益激發切換器411被放大，且同時增益飽和該飽和增益激發切換器411。

此時該飽和增益激發切換器411對該固定振幅光束43的該第五部分的損耗因為增益飽和的影響，瞬間由低變高。如此一來導致進入該增益光纖423的該第六部分45的強度被動地自動由高變低，使該增益光纖423被激發的速度便被延緩，使得該飽和吸收Q切換器425有足夠的時間回復初始狀態，該初始狀態為該飽和吸收Q切換器425未吸收飽和的狀態。如此一來就可以在提供該固定振幅光束43的情況之下，該雷射脈衝44可以連續地被產生。

該分波多工器410負責將該固定振幅光束導入，且將被放大的該雷射脈衝44導出。經過具有波長980奈米的該固定振幅光束43激發後，該具環狀結構的全光纖被動切換雷射系統40可連續輸出波長為1530奈米的該雷射脈衝44，該雷射脈衝44的脈波頻率在50Hz~1000Hz之間、最大脈衝能量為10微焦耳、脈衝寬度為50奈秒、以及最大瞬間脈衝功率可達200W，實驗結果與本案第一實施例相似。

經由上述兩個較佳的實施例的說明得知，只需使用固定振幅的激發光源設備即可產生連續的該雷射脈衝34,44，不再需要使用調變式的激發光源。穩定的激發光源設備價格便宜並可縮小化成電池裝置，使系統更簡易且成本更低。

綜上所述，本發明的說明與實施例已揭露於上，然其非用來限制本發明，凡習知此技藝者，在不脫離本本發明的精神與範圍之下，當可做各種更動與修飾，其仍應屬在本發明專利的涵蓋範圍之內。

10．．．全光纖型被動式Q-切換雷射系統

11．．．激發光源

12．．．激發光束

13．．．第一光柵

14,21,423．．．增益光纖

15．．．飽和吸收光纖

16．．．第二光柵

17,28,34,44．．．雷射脈衝

20．．．全光纖式飽和吸收Q切換雷射系統

22．．．飽和吸收光纖

23,424．．．光循環器

24．．．光纖光柵

30．．．全光纖被動切換雷射系統

31,41．．．飽和增益激發切換放大器

32．．．飽和吸收Q切換雷射系統

33,43．．．固定振幅光束

35．．．第二部份

36,46．．．雷射增益光束

40．．．具環狀結構的全光纖被動切換雷射系統

42．．．飽和吸收Q切換環狀雷射腔

45．．．第六部份

310,410,421,422．．．分波多工器(WDM)

311,411．．．飽和增益激發切換器(SAPS)

321,423．．．增益光纖

322．．．激發源隔離器

323,425．．．飽和吸收Q切換器(SAQS)

324．．．第三光柵

325．．．第四光柵

426．．．第五光柵

427．．．分功率器

429．．．20%雷射功率

430．．．80%雷射功率

R_G ．．．增益區域

R_E ．．．光強度強化區域

第一圖：習用全光纖型被動式Q-切換雷射系統的示意圖：

第二圖：習用全光纖式飽和吸收Q-切換雷射系統的示意圖：

第三圖：本案第一較佳實施例全光纖被動切換雷射系統的示意圖；及

第四圖：本案第二較佳實施例具環狀結構的全光纖被動切換雷射系統的示意圖。

30．．．全光纖被動Q-切換雷射系統

31．．．飽和增益激發切換放大器

32．．．飽和吸收Q切換雷射系統

33．．．固定振幅激發光束

35．．．第二部份

36．．．雷射脈衝

310．．．分波多工器(WDM)

311．．．飽和增益激發切換(SAPS)光纖

321．．．增益光纖

322．．．激發源隔離器

323．．．飽和吸收Q切換(SAQS)光纖

324．．．第三光柵

325．．．第四光柵

Claims (27)

1. 一種被動式光纖雷射系統，包含：一光源，產生一固定振幅光束，該固定振幅光束包含一第一部分與一第二部分；一增益光纖，該增益光纖吸收該第二部分，用以產生一雷射脈衝；一切換器，同時吸收該第一部分與放大該雷射脈衝，其中該光源先經過該切換器，而被該切換器吸收該第一部分後，剩下部分為該第二部分，當該雷射脈衝經過該切換器並且被放大後，該切換器迅速降低該第二部分。
2. 如申請專利範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該固定振幅光束為一持續光束。
3. 如申請專利範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該被動式光纖雷射系統還包含一分波多工器，用以輸入該光源以及輸出該雷射脈衝。
4. 如申請專利範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該增益光纖在吸收該第二部份達飽和狀態後產生該雷射脈衝。
5. 如申請專利範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該雷射脈衝被產生後，該切換器迅速增加吸收該第一部分，以迅速降低該第二部分。
6. 如申請專利範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該被動式光纖雷射系統還包含一飽和吸收Q切換器，該增益光纖與該飽和吸收Q切換器形成一駐波雷射腔。
7. 如專利申請範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該該增益光纖具有一初始狀態，當該雷射脈衝被產生後，該切換器使該增益光纖回復到該初始狀態，以使下一個雷射脈衝被產生。
8. 如申請專利範圍第7項所述的被動式光纖雷射系統，其中該飽和吸收Q切換系統為一掺鉺光纖。
9. 如專利申請範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該切換器為一掺鉺光纖。
10. 如專利申請範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該切換器具有一第一截面積，該增益光纖具有一第二截面積，該第一截面積小於該第二截面積。
11. 如專利申請範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該切換器可放大該雷射脈衝。
12. 如申請專利範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該雷射脈衝的脈波頻率範圍在50赫茲~1000赫茲之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該雷射脈衝的波長為1530奈米。
14. 如申請專利範圍第1項所述的被動式光纖雷射系統，其中該雷射脈衝的最大脈衝能量為10微焦耳、脈衝寬度為50奈秒、及最大瞬間脈衝功率為200W。
15. 一種被動式光纖雷射系統，包含：一光源，產生一固定振幅光束，該固定振幅光束包含一第一部分與一第二部分；一雷射共振腔，該雷射共振腔吸收該第二部分，用以產生一雷射脈衝；一增益器，同時吸收該第一部分與該雷射脈衝，其中該固定振幅光束先經過該增益器而被該增益器吸收該第一部分後，剩下部分為該第二部分，當該雷射脈衝經過該切換器並且被放大後，該增益器迅速降低該第二部分。
16. 如專利申請範圍第15項所述的被動式光纖雷射系統，其中該被動式光纖雷射系統還包含一分波多工器，用以輸入該固定振幅光束以及輸出該雷射脈衝。
17. 如專利申請範圍第15項所述的被動式光纖雷射系統，其中該雷射共振腔為一駐波雷射腔及一環狀雷射腔其中之一。
18. 如專利申請範圍第15項所述的被動式光纖雷射系統，其中當該雷射脈衝被產生後，該增益器迅速增加吸收該第一部分，以迅速降低該第二部分。
19. 如專利申請範圍第15項所述的被動式光纖雷射系統，其中該雷射共振腔具有一初始狀態，當該雷射脈衝被產生後，該增益器使該雷射共振腔回復到該初始狀態，以產生下一個雷射脈衝。
20. 一種產生雷射脈衝的方法，該方法包括下列步驟：(a)提供一第一固定振幅光束；(b)吸收該第一固定振幅光束的一第一部分；(c)吸收該第一固定振幅光束的一第二部分，以產生一雷射脈衝；(d)放大該雷射脈衝以輸出該雷射脈衝；及(e)回復到一初始狀態，重複(a)~(d)的步驟以輸出下一個雷射脈衝。
21. 如申請專利範圍第20項所述的方法，其中在步驟(d)之後，還包含下列步驟：(d1)在該雷射脈衝被激發後，提供一第二固定振幅光束；(d2)吸收該第二固定振幅光束的一第三部分；(d3)吸收該第二固定振幅光束的一第四部分。
22. 如申請專利範圍第21項所述的方法，其中該第二固定振幅光束的振幅等於該第一固定振幅光束的振幅。
23. 如申請專利範圍第21項所述的方法，其中該第二固定振幅光束的該第三部分大於該第一固定振幅光束的該第一部分，而該第二固定振幅光束的該第四部分小於該第一固定振幅光束的該第二部分。
24. 如申請專利範圍第21項所述的方法，其中該第四部分為在該雷射脈衝被激發後，該第三部分被一增益器吸收完後剩下的部分。
25. 如申請專利範圍第20項所述的方法，其中該第一部分在該雷射脈衝被激發前由一增益器吸收。
26. 如申請專利範圍第20項所述的方法，其中該第二部分在該雷射脈衝被激發前由一雷射共振腔吸收，且該雷射共振腔產生該雷射脈衝。
27. 如申請專利範圍第20項所述的方法，其中該第二部分為在該雷射脈衝被激發前，該第一部分被一增益器吸收完後剩下的部分。