TWI448024B - 環形迴路光學系統及全光纖式ｑ－開關雷射 - Google Patents

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Description

環形迴路光學系統及全光纖式Q-開關雷射
本發明是有關於一種Q-開關雷射(Q-switched laser)，且特別是有關於一種全光纖式Q-開關雷射及其環形迴路光學系統。
所謂Q-開關雷射即是高功率脈衝雷射，而Q-開關則是產生高功率脈衝光的技術。Q-開關的技術又分主動式和被動式。被動式Q-開關技術是使用一可飽和吸收的材料，放置於雷射共振腔內，雷射一經激發即可自動產生高功率脈衝光，因此被動式Q-開關雷射又稱飽和吸收Q-開關雷射。相較於主動式Q-開關雷射，飽和吸收Q-開關雷射結構簡單、體積小、成本低。
由於光纖的諸多優點，光纖式脈衝雷射是一新興熱門的研究主題。惟目前市面上常見的光纖式雷射仍存在著部份缺失，諸如傳統光纖雷射種子源為半導體雷射可承受之功率較低，易遭受破壞，以及傳統光纖雷射種子源具有使用壽命等問題。此外，在習知技術中，傳統光纖雷射種子源為耦光系統，需人力耦光，且需要抗反射鍍膜等製程，其成本不易降低。
因此，習知的光纖式脈衝雷射技術仍存有許多缺失，而有待改進，且提供一穩定度高、低成本的全光纖式Q-開關雷射，實有其必要性。
本發明提供一種環形迴路光學系統，其適於一全光纖式Q-開關雷射。所述環形迴路光學系統包括多個分光元件以及一飽和吸收體。每一分光元件包括一第一銜接光纖及一第二銜接光纖。藉由對應的第一銜接光纖，所述分光元件的其中之一與其中之另一耦接。飽和吸收體之兩端分別耦接至藉由對應的第一銜接光纖彼此耦接的分光元件的第二銜接光纖，其中飽和吸收體與藉由對應的第一銜接光纖彼此耦接的分光元件形成一環形迴路，以產生一輔助不飽和光源。
本發明提供一種全光纖式Q-開關雷射，其包括一雷射共振腔以及上述環形迴路光學系統。環形迴路光學系統配置於雷射共振腔內，而全光纖式Q-開關雷射藉由環形迴路光學系統產生一脈衝雷射。
為讓本發明之上述特徵能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在本發明之範例實施例中，環形迴路光學系統為一加快飽和吸收體快速恢復到不飽和的裝置，其利用一輔助不飽和光源，使飽和吸收體快速達到不飽和狀態，有助於提升Q-開關雷射之能力，並可達成全光纖式脈衝雷射。
在底下的實施例中，將以摻鉺光纖作為飽和吸收體的範例實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者當知摻鉺光纖並非用以限定本發明的飽和吸收體。
同時，本發明亦不限定分光元件的型態及種類，舉凡任何可用以分光的光學元件皆為本發明所欲保護之範疇。而為了搭配摻鉺光纖，在本發明之範例實施例中，係選用1530/1570nm的分波多工器(Wavelength-Division Multiplexing，WDM)作為分光元件，但本發明並不限於此。其中，1530/1570nm WDM係指適於使波長1530nm(奈米)的光源穿透，並反射波長1570nm的光源之分波多工器。
圖1繪示本發明一實施例之分波多工器及環形迴路光學系統，其中圖1(a)為本發明一實施例之分波多工器，而圖1(b)為分波多工器與飽和吸收體所形成的環形迴路光學系統。請參考圖1，在本實施例中，環形迴路光學系統100例如包括分光元件110、120及一飽和吸收體130。在此，分光元件110、120例如各為一1530/1570nm WDM，而飽和吸收體130例如是一摻鉺光纖，但本發明並不限於此。
圖1(a)即繪示圖1(b)之分光元件110。在本實施例中，分光元件110包括一第一銜接光纖112a、一第二銜接光纖112b及一第三銜接光纖112c。在此，分光元件110適於使一第一波長光束λ1穿透，並反射一第二波長光束λ2，如圖1(a)所示。類似地，本實施例之分光元件120與分光元件110具有相同或相似的技術特徵，在此便不再贅述。
在本實施例中，分光元件110、120分別藉由其第一銜接光纖112a、122a彼此耦接。並且，飽和吸收體130之兩端分別耦接至第二銜接光纖112b、122b，以形成環形迴路光學系統100。換句話說，飽和吸收體130與藉由第一銜接光纖112a、122a彼此耦接的分光元件110、120形成一環形迴路，以產生一輔助不飽和光源，即第二波長光束λ2。
在本實施例中，若將環形迴路光學系統100應用於一全光纖式Q-開關雷射，則該全光纖式Q-開關雷射所產生之一雷射光源例如為一具有波長λ1的脈衝雷射，而環形迴路光學系統100所產生的輔助不飽和光源例如具有波長λ2。以摻鉺光纖及1530/1570nm WDM為例，波長λ1例如是1530nm，而波長λ2例如是1570nm。換句話說，在本實施例中，全光纖式Q-開關雷射所產生的雷射光源之波長λ1係短於環形迴路光學系統100所產生的輔助不飽和光源之波長λ2。
詳細而言，圖2為本發明一實施例之全光纖式Q-開關雷射。請參考圖1及圖2，在本實施例中，全光纖式Q-開關雷射200例如包括由兩個光纖光柵210、220(Fiber Bragg Grating，FBG)所形成的一雷射共振腔、一光結合器230(combiner)及圖1(b)所繪示的環形迴路光學系統100，其中環形迴路光學系統100係配置於雷射共振腔內。
在本實施例中，環形迴路光學系統100分別藉由分光元件110、120之第三銜接光纖112c、122c與光纖光柵210及光結合器230連接，而光結合器230藉由一增益光纖240(gain fiber)與光纖光柵220連接，其中增益光纖240可用以產生雷射。因此，當光結合器230接收一激發光源時，增益光纖240之增益介質可獲得能量而產生雷射。在此，光纖光柵210是雷射共振腔的反射鏡，可全反射雷射光波之波長λ1，而光纖光柵220則提供一定比例的雷射光波之波長反射，而剩餘比例為雷射輸出250。
在全光纖式Q-開關雷射200系統中，雷射輸出250的光學性質係由兩個光纖光柵210、220所形成的共振腔及激發光源所決定。例如，若光結合器230所接收的激發光源係由一980nm雷射二極體幫浦所產生的能量，則全光纖式Q-開關雷射200系統所產生的雷射之波長例如是1530nm。
此外，雷射能量累積用的Q-開關，其目的在於控制雷射光源在共振腔內的能量損耗。藉由能量損耗的控制，在全光纖式Q-開關雷射200的系統輸出端，可產生一脈衝式的雷射輸出250。
須特別說明的是，在本實施例中，全光纖式Q-開關雷射200係以全光纖式架構及環形迴路光學系統100來產生脈衝雷射，而環形迴路光學系統100可使飽和吸收體所產生的輔助不飽和光源λ2於環形架構中傳輸，以使飽和吸收體具有快速不飽和之特性，以達到快速關閉的功能。因此，本實施例之全光纖式Q-開關雷射具有可穩定度高、低成本的良好特性。
進一步而言，以飽和吸收體為摻鉺光纖為例，圖3為其吸收及放射光譜圖，而圖4為鉺離子的部分能階示意圖。請參照圖1至圖4，在本實施例中，作為飽和吸收體130的摻鉺光纖，其吸收波長為1530nm的雷射光源(即第一波長λ1)並放射波長為1570nm的輔助不飽和光源(即第二波長λ2)。因此，由圖1可知，本實施例之雷射光源可在共振腔中自由穿透，而輔助不飽和光源則被限制在光學系統100的環形迴路中。
詳細而言，在全光纖式Q-開關雷射200接收980nm的激發光源後，經過一特定時間(例如幾毫秒)，飽和吸收體130會吸收雷射光源，使其無法通過環形迴路光學系統100。之後，飽和吸收體130會快速達到飽和，而飽和後，雷射光源即可在環形迴路光學系統100中自由穿透，使全光纖式Q-開關雷射200可產生一波長為1530nm的脈衝雷射。在此，稱為「開關打開」步驟。
接著，當飽和吸收體130因吸收大量雷射光源而達到飽和後，會自發性地放射出多波長的能量光源，而波長1570nm的能量光源則為其中之一。是以，在本實施例的系統架構之下，波長1570nm的能量光源會被限制在光學系統100的環形迴路中，以作為輔助不飽和光源，幫助雷射系統調制，產生波長為1530nm的脈衝雷射。在此，稱為「輔助光源產生」步驟。
在上述「開關打開」步驟中，波長1530nm的雷射光源之電子數例如可表示為Na1530 =(N1 -N2 /g)，其中N1 、N2 分別代表鉺離子能階4 I15/2 的電子數(底下簡稱為下能階電子數N1 )及鉺離子能階4 I13/2 的電子數(底下簡稱為上能階電子數N2 )，而g值則代表圖3的光譜圖中吸收值與放射值的比值。例如，在波長1530nm處，其吸收值與放射值相等，即g=1。
當飽和吸收體130因吸收大量雷射光源而達到飽和後，開關係處於打開狀態，此時Na1530 =(N1 -N2 /g )會等於0，而可得到N1 /N2 =g=1。另外，由於鉺離子能階系統中上能階電子數N2 及下能階電子數N1 的總電子數不變，因此N1 +N2 =NT ，其中NT 代表總電子數。是以，由上述兩關係式N1 /N2 =g=1及N1 +N2 =NT ，可得到N1 =N2 =NT /2。
在上述「輔助光源產生」步驟中，波長1570nm的輔助不飽和光源之電子數例如可表示為Na1570 =(N1 -N2 /g)。其中，在圖3的光譜圖中波長1570nm處，其吸收值約為放射值得一半，即g=0.5。進而，將N1 =N2 =NT /2及g=0.5代入Na1570 =(N1 -N2 /g)式中，可得到Na1570 =(N1 -N2 /g)=-NT /2，其負值代表系統是處於產生光源的增益形式，即代表波長1570nm的輔助不飽和光源被產生。
另一方面，當1570nm輔助不飽和光源產生經過一段時間後達到Na1570 =(N1 -N2 /g)=0時，若滿足g=0.5及N1 +N2 =NT ，則可得到N1 =NT /3、N2 =2NT /3。之後，將上述N1 =NT /3、N2 =2NT /3之關係重新代入Na1530 =(N1 -N2 /g)式中，則可得到Na1530 =(N1 -N2 /g)=NT /3。值得注意的是，此時Na1530 值不為0而為一正值，代表系統開關並非處於打開狀態，而是處於吸收光源的狀態。換句話說，此時飽和吸收體130再次進入不飽和狀態，進而吸收雷射光源。在此，稱為「開關關閉」步驟。
換句話說，在全光纖式Q-開關雷射200接收980nm的激發光源後，在環形迴路光學系統100中，上述「開關打開」步驟、「輔助光源產生」步驟及「開關關閉」步驟會反覆進行，以使全光纖式Q-開關雷射200可產生一波長為1530nm的連續脈衝雷射，如圖5所示。
須特別說明的是，一般而言，在物質的能階系統中，單一的能階通常會展開為多個子能階。例如，在鉺離子的能階系統中，其上能階4 I15/2 及下能階4 I13/2 由物理角度來看，通常會展開成多個子能階(未繪示)。是以，在圖4中，電子由鉺離子的上能階4 I15/2 落至下能階4 I13/2 時所自發性地放射出的多波長能量光源，可以15XX nm表示。該表示方式係代表波長1530nm的雷射光源與波長1570nm的輔助不飽和光源具有相同數量的上能階電子數N1 及相同數量的下能階電子數N2 。
換句話說，在本實施例中，環形迴路光學系統100為滿足上述「開關打開」步驟、「輔助光源產生」步驟及「開關關閉」步驟的操作，其雷射光源與輔助不飽和光源必須具有相同的上能階電子數及相同的下能階電子數。
圖5繪示本發明一實施例之全光纖式Q-開關雷射所產生的雷射光源之訊號波形圖。請參考圖5，圖5(a)所繪示者係該全光纖式Q-開關雷射藉由環形迴路光學系統100經過「開關打開」步驟、「輔助光源產生」步驟及「開關關閉」步驟的循環操作而產生的連續脈衝雷射。而圖5(b)所繪示者係該等連續脈衝雷射其中之一的訊號波形。
由圖5所繪示的雷射光源之訊號波形圖可知，本實施例之全光纖式Q-開關雷射所產生的雷射光源之波長為1530nm，且具有良好光學品質。此外，藉由環形迴路光學系統100所產生的輔助不飽和光源，飽和吸收體具有快速不飽和之特性，可達到快速關閉的功能。
一般而言，飽和吸收體的材料必須滿足一個先決條件，即是飽和吸收材料的absorption cross section(σa )，必須大於增益介質材料的stimulated emission cross section(σg )，即σa /σg >1。而且，兩者的比值σa /σg 愈大，飽和吸收Q-開關的效率愈好。在本發明之範例實施例中，可藉由提高增益光纖內核心面積Ag 和飽和吸收光纖內核心面積Aa 的比值，調整此一先決條件為：
由於雷射光源被侷限在光纖內的光纖核心(Fiber Core)中傳輸。藉由提高Ag ，可降低光束在增益光纖核心內的強度密度。反之，藉由降低Ag ，可提高光束在飽和吸收光纖核心內的強度密度。因此可加速飽和吸收光纖達到飽和狀態，進而產生雷射脈衝。所以，若飽和吸收材料的σa 小於雷射增益介質的σg ，在本發明之範例實施例中，可藉由提高增益光纖內核心面積Ag 和飽和吸收光纖內核心面積Aa 的比值，使全光纖式Q-開關雷射滿足上述調整後的先決條件。因此，在本發明之範例實施例中，相同的材料可同時作為飽和吸收體與增益介質，並解決材料取得不易的問題。
為達到上述目的，在圖1的環形迴路光學系統100中，當飽和吸收體130以一飽和吸收光纖實施時，飽和吸收光纖之核心面積或直徑可設計為小於第二銜接光纖112b、122b之核心面積或直徑，並且當第三銜接光纖112c、122c連接至增益光纖240時，增益光纖240之核心面積或直徑可設計為大於第三銜接光纖112c、122c之核心面積或直徑。舉例而言，飽和吸收體130之核心直徑例如可設計為3~20微米(μm)，第二銜接光纖112b、122b之核心直徑例如可設計為3~30微米(μm)，而增益光纖之核心直徑例如可設計為5~30微米(μm)。
此外，在圖1的環形迴路光學系統100中，第一銜接光纖112a、122a、第二銜接光纖112b、122b及第三銜接光纖112c、122c之核心面積或直徑例如可設計為相同，且系統中每一光纖之連結可使用例如是融接或是對光等方式連結，此連結方式可根據系統之需求決定。
另外，在本發明之範例實施例中，全光纖式Q-開關雷射亦不侷限於圖2之設計架構，圖6即繪示本發明其他實施例之全光纖式Q-開關雷射。在圖6中，全光纖式Q-開關雷射200’、200”皆可產生波長為1530nm的連續脈衝雷射，且利用環形迴路光學系統100，可使飽和吸收體具有快速不飽和之特性，以達到快速關閉的功能，相同或相似之處在此便不再贅述。此外，圖1之環形迴路光學系統100例如適於應用在1020nm至1600nm的波長範圍之雷射系統，但本發明並不限於此。
綜上所述，在本發明之範例實施例中，全光纖式Q-開關雷射利用環形迴路光學系統，以飽和吸收體所產生的一輔助不飽和光源，使其於環形架構中傳輸，並利用輔助不飽和光源與雷射具有相同上下能階電子數之特性，以使飽和吸收體具有快速不飽和之特性，以達到快速關閉的功能。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，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，故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。
100．．．環形迴路光學系統
110、120．．．分光元件
130．．．飽和吸收體
112a、122a．．．第一銜接光纖
112b、122b．．．第二銜接光纖
112c、122c．．．第三銜接光纖
λ1．．．第一波長光束
λ2．．．第二波長光束
200、200’、200”．．．全光纖式Q-開關雷射
210、220．．．光纖光柵
230．．．結合器
240．．．增益光纖
250．．．雷射輸出
圖1繪示本發明一實施例之分波多工器及環形迴路光學系統。
圖2為本發明一實施例之全光纖式Q-開關雷射。
圖3為摻鉺光纖之吸收及放射光譜圖。
圖4為鉺離子的部分能階示意圖。
圖5繪示本發明一實施例之全光纖式Q-開關雷射所產生的雷射光源之訊號波形圖。
圖6繪示本發明其他實施例之全光纖式Q-開關雷射。
100．．．環形迴路光學系統
110、120．．．分光元件
130．．．飽和吸收體
112a、122a．．．第一銜接光纖
112b、122b．．．第二銜接光纖
112c、122c．．．第三銜接光纖
λ1．．．第一波長光束
λ2．．．第二波長光束

Claims (17)

  1. 一種環形迴路光學系統，適於一全光纖式Q-開關雷射，該環形迴路光學系統包括：多個分光元件，每一分光元件包括一第一銜接光纖及一第二銜接光纖，藉由對應的該些第一銜接光纖，該些分光元件的其中之一與其中之另一耦接；以及一飽和吸收體，該飽和吸收體之兩端分別耦接至藉由對應的該些第一銜接光纖彼此耦接的該些分光元件的該些第二銜接光纖，其中該飽和吸收體與藉由對應的該些第一銜接光纖彼此耦接的該些分光元件形成一環形迴路，以產生一輔助不飽和光源，其中該些分光元件適於使一第一波長光束穿透，並反射一第二波長光束，其中該全光纖式Q-開關雷射所產生之一雷射光源具有該第一波長，而該輔助不飽和光源具有該第二波長，其中該雷射光源之該第一波長短於該輔助不飽和光源之該第二波長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，其中該些分光元件包括：一第一分光元件；一第二分光元件，該第二分光元件之該第一銜接光纖耦接至該第一分光元件之該第一銜接光纖，其中該飽和吸收體之兩端分別耦接至該第一分光元 件之該第二銜接光纖與該第二分光元件之該第二銜接光纖，以與該第一及該第二分光元件形成該環形迴路。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，其中該飽和吸收體之能階系統具有一上能階及一下能階，該雷射光源與該輔助不飽和光源係由該上能階之電子數落至該下能階而產生，其中該雷射光源與該輔助不飽和光源具有相同數量的該上能階之電子數及相同數量的該下能階之電子數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，其中該飽和吸收體吸收該雷射光源並放射該輔助不飽和光源。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，其中該飽和吸收體為一飽和吸收光纖，該飽和吸收光纖之核心面積或直徑小於該第二銜接光纖之核心面積或直徑。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之環形迴路光學系統，其中該飽和吸收體之核心直徑為3~20微米(μm)。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之環形迴路光學系統，其中該第二銜接光纖之核心直徑為3~30微米(μm)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，其中每一分光元件包括一第三銜接光纖，該第三銜接光纖適於耦接至該全光纖式Q-開關雷射中之一增益光纖。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之環形迴路光學系統，其中該增益光纖之核心面積或直徑大於該第三銜接光 纖之核心面積或直徑。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之環形迴路光學系統，其中該增益光纖之核心直徑為5~30微米(μm)。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之環形迴路光學系統，其中該飽和吸收體為一飽和吸收光纖，該飽和吸收光纖之核心直徑為3~30微米(μm)。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之環形迴路光學系統，其中該第一銜接光纖、該第二銜接光纖及該第三銜接光纖之核心面積或直徑相同。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之環形迴路光學系統，其中該飽和吸收體為一飽和吸收光纖，該第一銜接光纖、該第二銜接光纖、該第三銜接光纖、該增益光纖及該飽和吸收光纖以熔接或對光方式連結。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，其中該飽和吸收體為一摻鉺光纖。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，其中該些分光元件為分光多工器。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，其中該環形迴路光學系統適於應用在1020奈米(nm)至1600奈米(nm)波長範圍之雷射系統。
  17. 一種全光纖式Q-開關雷射，包括：一雷射共振腔；以及一如申請專利範圍第1項所述之環形迴路光學系統，該環形迴路光學系統配置於該雷射共振腔內，其中該全光 纖式Q-開關雷射藉由該環形迴路光學系統產生一脈衝雷射。
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