TWI407654B - 波長或脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種光纖鎖模雷射，尤指一種使用長波濾波器的波長或脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射。
雷射光的發明與應用被認為是二十世紀科學界最重要的成就之一。如今，現代生活週遭有關雷射科技的商品早已目不暇給。高能雷射，例如脈衝式雷射，廣泛的被使用於工業方面的切削，或是醫療方面的外科手術，充分肯定了雷射科技的價值。
光纖式環形共振腔是一種為本領域所習知用以產生雷射光的設備。請參閱第1圖，其係為本領域所習知的光纖式環形共振腔配置。如第1圖所示，一環形共振腔10係由一波長多工器11、一光纖12、一光增益光纖13、一極化控制器14以及一光耦合器15所組成。波長多工器11將一泵浦光耦合進入該環形共振腔10內，沿著順時針方向進入光增益光纖13，將光增益光纖13內的光增益摻雜(一稀土元素、一過渡元素、或一非線性物質)的基態電子激發至一激發態的位置，進而釋放出各種不同波長的光子，這些光子在光纖12之內沿著環形共振腔10傳遞，形成各種不同波長的光束。隨著時間的發展，透過波長多工器11不斷地耦合進入環形共振腔10的泵浦光使得光增益光纖13持續地釋放出各種不同波長的光束，但其中只有其半波長的一整數倍恰好等於環形共振腔10總長度的某些光束會產生駐波現象而持續存在於環形共振腔10之內，而其餘的光束則逐漸衰減而終於消失。沿著逆時針方向前進而形成駐波的光束，如第1圖內環箭頭所示，經過用以調整光極性的極化控制器14，使通過極化控制器14的光束形成同極化態的雷射光而相互干涉，進而形成一脈衝式雷射光。
該脈衝式雷射光繼續進入光增益光纖13，進一步誘發出與該脈衝式雷射光同調的光子造成光增益，使得雷射光強度不斷增加。此時，在環形共振腔10內沿著逆時針方向已經形成一群強度不斷增加的雷射光束，當雷射光束經過光耦合器15，將有10-20%的少部分雷射光被光耦合器15輸出，成為圖中所示的輸出。
脈衝式雷射光於實際應用上往往需要掌控波長與時間脈衝寬度這兩個重要參數。因應所需要出處理的材料性質，需要調整雷射光的波長；而針對不同的應用，必須能夠控制雷射光的時間脈衝寬度。依據上述環形共振腔10的配置雖然看似簡單，然其波長與時間脈衝寬度難以被有效的控制，因此，需要進一步的改善。
職是之故，發明人鑑於習知技術之設計缺失，乃經悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，發明出本案「波長或脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射」，兼具有同步操作功能以及較佳的分光效果，以下為本案之簡要說明。
本發明之目的在於提供一種光纖鎖模雷射，實驗數據顯示，透過使用長波濾波器於一光學共振腔，可以分別用以調控該雷射共振腔的可允許存在光增益頻寬及總群速度色散值，進而形成波長或脈衝寬度可被調整的光纖鎖模雷射。
根據上述構想，本發明提出一種波長可調式光纖鎖模雷射，其具有一光學共振腔，包含一長波濾波器、一極化控制器、一光增益光纖、一以及一光纖。該長波濾波器用以阻止任何波長大於一截止波長的光通過該長波濾波器。該極化控制器用以調整光的極性，使通過該極化控制器的光束形成同極化態的雷射光而相互干涉，進而形成一脈衝式雷射光。該光增益光纖利用一泵浦光產生該脈衝式雷射光的光增益。該光纖用以串聯該該長波濾波器、該極化控制器、與該光增益光纖而形成該光學共振腔，且該光纖之長度使得傳導於該光學共振腔的總群速度色散值位於一異常色散的數值區間。
較佳地，該光增益光纖包含一光增益摻雜。
較佳地，該泵浦光為一雷射光。
較佳地，該光增益摻雜包含一稀土元素、一過渡元素、或一非線性物質。
較佳地，該光學共振腔為一環形共振腔，其更包含一波長多工器，用以將一泵浦光耦合進入該環形共振腔，以及一光耦合器，用以輸出一部份傳遞於該環形共振腔內的該增益後的脈衝式雷射光。
較佳地，該光學共振腔為一線形共振腔，其更包含一第一光學反射元件，用以反射與該泵浦光相反方向的任何光束，以及一第二光學反射元件，用以局部反射與該泵浦光相同方向的任何光束，並且輸出一部份傳遞於該線形共振腔內的該增益後的脈衝式雷射光。
較佳地，該波長可調式光纖鎖模雷射係基於一種物理性質如溫度、磁場、電場或聲波為調整參數，用以調整所輸出的脈衝式雷射光的一波長。
較佳地，該長波濾波器為一光纖型可調式濾波器，係以溫度為調整參數，用以調整所輸出的脈衝式雷射光的一波長。
根據上述之另一構想，本發明提出一種脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其具有一光學共振腔，包含一長波濾波器、一極化控制器、一光增益光纖、一以及一光纖。該長波濾波器用以阻止任何波長大於一截止波長的光通過該長波濾波器。該極化控制器用以調整光的極性，使通過該極化控制器的光束形成同極化態的雷射光而相互干涉，進而形成一脈衝式雷射光。該光增益光纖利用一泵浦光產生該脈衝式雷射光的光增益。該光纖用以串聯該該長波濾波器、該極化控制器、與該光增益光纖而形成該光學共振腔，且該光纖之長度使得傳導於該光學共振腔的總群速度色散值接近零。
較佳地，該光增益光纖包含一光增益摻雜。
較佳地，該泵浦光為一雷射光。
較佳地，該光增益摻雜包含一稀土元素、一過渡元素、或一非線性物質。
較佳地，該光學共振腔為一環形共振腔，其更包含一波長多工器，用以將一泵浦光耦合進入該環形共振腔，以及一光耦合器，用以輸出一部份傳遞於該環形共振腔內的該增益後的脈衝式雷射光。
較佳地，該光學共振腔為一線形共振腔，其更包含一第一光學反射元件，用以反射與該泵浦光相反方向的任何光束，以及一第二光學反射元件，用以局部反射與該泵浦光相同方向的任何光束，並且輸出一部份傳遞於該線形共振腔內的該增益後的脈衝式雷射光。
較佳地，該波長可調式光纖鎖模雷射係基於一種物理性質如溫度、磁場、電場或聲波為調整參數，用以調整所輸出的脈衝式雷射光的一波長。
較佳地，該長波濾波器為一光纖型可調式濾波器，係以溫度為調整參數，用以調整所輸出的脈衝式雷射光的一波長。
如前述本發明之使用長波濾波器的波長或脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，得藉由下列實施例及圖示說明，俾得本領域具一般知識者更深入之了解其實施方式與優點：
本發明之技術手段將詳細說明如下，相信本發明之目的、特徵與優點，當可由此得一深入且具體之了解，然而下列實施例與圖示僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制。
首先請參閱第2圖，其係為本發明之使用長波濾波器於環形共振腔的波長或脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射的結構示意圖。如第2圖所示，一環形共振腔20係由一波長多工器21、一光纖22、一光增益光纖23、一長波濾波器24、一極化控制器25以及一光耦合器26所組成。很明顯的，第2圖所示的環形共振腔20與第1圖所示的環形共振腔10兩者的結構基本相同，因此，環形共振腔20產生雷射光的過程如前開所述，於此不再重複贅述。
長波濾波器24的功能是用以阻止任何波長大於一截止波長的光通過該長波濾波器，所以說，只有波長較短的雷射光能夠繼續存在於環形共振腔20之內。此外，長波濾波器24也具有控制調整色散值的功能。環形共振腔20即為一光纖鎖模雷射。一般長波濾波器係基於一種物理性質如溫度、磁場、電場或聲波為調整參數，本實施例採用光纖型可調式濾波器，其係以溫度為調整參數。
由於環形共振腔20的總長度不同，其對於光的總色散值也不一樣。設定光纖22的長度，使得環形共振腔20的總群速度色散值位於異常色散(或稱為反常色散)的數值區間之內，再控制長波濾波器24的調整參數，則自光耦合器26輸出的雷射光其時間脈衝寬度不變，而其波長則可以被調整。一個實際的例子為環形共振腔20之長度約為12.8公尺，其中光增益光纖23為一長度約3.5公尺的摻鉺光纖。第3(a)圖顯示出如上述所配置的環形共振腔，當輸入一波長約為980奈米之泵浦雷射光，其其輸出波長隨著不同溫度而改變的情形，當溫度自攝氏23.25度升高到攝氏25度，輸出的中心波長自略低於1.55微米的位置移動到1.55-1.60微米之間。第3(b)圖則顯示出如上述所配置的環形共振腔其輸出時間延遲隨著不同溫度而變化的情形，從圖形來看，不同的溫度下的輸出其時間脈衝寬度幾乎沒有差別。
另一種應用方式是，設定光纖22的長度，使得環形共振腔20的總群速度色散值近於零，再控制長波濾波器24的調整參數，則自光耦合器26輸出的雷射光其波長不變，而其時間脈衝寬度則可以被調整。為了使總色散值近於零，環形共振腔20的一個較佳之長度約為10.2公尺，其中光增益光纖23為一長度約3.5公尺的摻鉺光纖。第4圖顯示出如上述所配置的環形共振腔，當輸入一波長約為980奈米之泵浦雷射光，其其輸出時間脈衝寬度隨著不同溫度而改變的情形，當溫度自攝氏33度升高到攝氏34度，輸出的時間脈衝寬度明顯地變寬而整個時間延遲的分佈變得平坦。
綜合以上所述，本發明所提出的光纖鎖模雷射係基於相同的環形共振腔結構，調整環形共振腔的長度使得其總群速度色散值落在不同的數值，藉此產生不同的應用。當總群速度色散值落在異常色散的數值區間之內，可以調控其輸出的波長；而當總群速度色散值近於零，則可以調控其輸出的時間脈衝寬度。因此，不論是脈衝式雷射光的波長或是時間脈衝寬度難以掌控的問題，都能夠藉由本發明所提出的光纖鎖模雷射獲得解決。
光學共振腔的結構，除了環形之外，也有線形的共振腔。請參閱第5圖，其係為本發明之使用長波濾波器於線形共振腔的波長或脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射的結構示意圖。如第5圖所示，一線形共振腔50係由第一光學反射元件51、一光纖52、一長波濾波器53、一光增益光纖54、一極化控制器55以及一第二光學反射元件56所組成。一泵浦光經過第一光學反射元件51而進入線形共振腔50，再沿著光纖52將光增益光纖54內所摻雜的鉺離子的4f殼層電子激發至一激發態的位置，進而釋放出各種不同波長的光子。較佳地，第一光學反射元件51可設計為反射率是100%的光柵，而第二光學反射元件56是反射率約為80%的光柵。這些光子在光纖52之內傳遞，受到第一光學反射元件51與第二光學反射元件56的反射，來回於線形共振腔50之內，形成各種不同波長的光束。當線形共振腔50的長度為某些光束其半波長的整數倍時，這些光束會產生共振而累積其能量。對照於第二圖所示的實施例，長波濾波器53、光增益光纖54、與極化控制器55具有與前開所述相同的功能，因此，線形共振腔50產生雷射光的過程與前開所述相同，於此不再重複贅述。第二光學反射元件56是反射率約為80%的光柵，所以有少部分的雷射光被輸出。
相同的，由於線形共振腔50的長度不同，其對於光的總群速度色散值也不一樣。設定光纖52的長度，使得總群速度色散值位於異常色散的數值區間之內，再控制長波濾波器53的調整參數，則自輸出的雷射光其時間脈衝寬度不變，而其波長則可以被調整；當設定光纖52的長度，使得線形共振腔50的總群速度色散值近於零，再控制長波濾波器53的調整參數，則輸出的雷射光其波長不變，而其時間脈衝寬度則可以被調整。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、20．．．環形共振腔
11、21．．．波長多工器
12、22、52．．．光纖
13、24、54．．．光增益光纖
14、25、55．．．極化控制器
24、53．．．長波濾波器
15、26．．．光耦合器
50．．．線形共振腔
51．．．第一光學反射元件
56．．．第二光學反射元件
第1圖：本領域所習知的光纖式環形共振腔的結構示意圖。
第2圖：本發明之使用長波濾波器於環形共振腔的波長或脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射的結構示意圖。
第3(a)圖：本發明之波長可調式光纖鎖模雷射的波長實驗數據。
第3(b)圖：本發明之波長可調式光纖鎖模雷射的脈衝寬度實驗數據。
第4圖：本發明之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射的實驗數據。
第5圖：本發明之使用長波濾波器於線形共振腔的波長或脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射的結構示意圖。
20．．．環形共振腔
21．．．波長多工器
22．．．光纖
24．．．光增益光纖
25．．．極化控制器
24．．．長波濾波器
26．．．光耦合器
Claims (20)
- 一種波長可調式光纖鎖模雷射，其具有一光學共振腔，包含：一長波濾波器，用以阻止任何波長大於一截止波長的光通過該長波濾波器；一極化控制器，用以調整光的極性，使通過該極化控制器的光束形成同極化態的雷射光而相互干涉，進而形成一脈衝式雷射光；一光增益光纖，利用一泵浦光產生該脈衝式雷射光的光增益；以及一光纖，用以串聯該該長波濾波器、該極化控制器、與該光增益光纖而形成該共振腔，且該光纖之長度使得傳導於該共振腔的光其總群速度色散值位於一異常色散的數值區間。
- 如申請專利範圍第1項之波長可調式光纖鎖模雷射，其中該光增益光纖包含一光增益摻雜。
- 如申請專利範圍第2項之波長可調式光纖鎖模雷射，其中該光增益摻雜包含一稀土元素、一過渡元素、或一非線性物質。
- 如申請專利範圍第1項之波長可調式光纖鎖模雷射，其中該泵浦光為一雷射光。
- 如申請專利範圍第1項之波長可調式光纖鎖模雷射，其中該光學共振腔為一環形共振腔，其更包含：一波長多工器，用以將一泵浦光耦合進入該環形共振腔；以及一光耦合器，用以輸出一部份傳遞於該環形共振腔內的該增益後的脈衝式雷射光。
- 如申請專利範圍第1項之波長可調式光纖鎖模雷射，其中該光學共振腔為一線形共振腔，其更包含：一第一光學反射元件，用以反射與該泵浦光相反方向的任何光束；以及一第二光學反射元件，用以局部反射與該泵浦光相同方向的任何光束，並且輸出一部份傳遞於該線形共振腔內的該增益後的脈衝式雷射光。
- 如申請專利範圍第1項之波長可調式光纖鎖模雷射，係基於一種物理性質如溫度、磁場、電場或聲波為調整參數，用以調整所輸出的脈衝式雷射光的一波長。
- 如申請專利範圍第1項之波長可調式光纖鎖模雷射，其中該長波濾波器為一光纖型可調式濾波器。
- 如申請專利範圍第8項之波長可調式光纖鎖模雷射，係以溫度為調整參數，用以調整所輸出的脈衝式雷射光的一波長。
- 如申請專利範圍第9項之波長可調式光纖鎖模雷射，其中該控制參數適用於該光纖型可調式濾波器。
- 一種脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其具有一光學共振腔，包含：一長波濾波器，用以阻止任何波長大於一截止波長的光通過該長波濾波器；一極化控制器，用以調整光的極性，使通過該極化控制器的光束形成同極化態的雷射光而相互干涉，進而形成一脈衝式雷射光；一光增益光纖，利用一泵浦光產生該脈衝式雷射光的光增 益；以及一光纖，用以串聯該長波濾波器、該極化控制器、與該光增益光纖而形成該光學共振腔，且該光纖之長度使得傳導於該光學共振腔的光其總群速度色散值接近零。
- 如申請專利範圍第11項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其中該光增益光纖包含一光增益摻雜。
- 如申請專利範圍第11項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其中該光增益摻雜包含一稀土元素、一過渡元素、或一非線性物質。
- 如申請專利範圍第11項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其中該泵浦光為一雷射光。
- 如申請專利範圍第11項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其中該光學共振腔為一環形共振腔，其更包含：一波長多工器，用以將一泵浦光耦合進入該環形共振腔；以及一光耦合器，用以輸出一部份傳遞於該環形共振腔內的該增益後的脈衝式雷射光。
- 如申請專利範圍第11項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其中該光學共振腔為一線形共振腔，其更包含：一第一光學反射元件，用以反射與該泵浦光相反方向的任何光束；以及一第二光學反射元件，用以局部反射與該泵浦光相同方向的任何光束，並且輸出一部份傳遞於該線形共振腔內的該增益後的脈衝式雷射光。
- 如申請專利範圍第11項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，係 基於一種物理性質如溫度、磁場、電場或聲波為調整參數，用以調整所輸出的脈衝式雷射光的一時間脈衝寬度。
- 如申請專利範圍第11項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其中該長波濾波器為一光纖型可調式濾波器。
- 如申請專利範圍第18項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，係以溫度為調整參數，用以調整所輸出的脈衝式雷射光的一時間脈衝寬度。
- 如申請專利範圍第19項之脈衝寬度可調式光纖鎖模雷射，其中該控制參數適用於該光纖型可調式濾波器。
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