TWI470887B - 雷射倍頻模組 - Google Patents

Description

雷射倍頻模組

本發明是有關於一種光學轉換模組，且特別是有關於一種雷射倍頻模組。

雷射光束具有良好的準直性及較高的功率與光強度，因此雷射產生器在現代工業上有著很廣範的應用，諸如實驗室用的高準直光源、簡報時所用的雷射筆、讀取或燒錄光碟時所採用的雷射光源、雷射滑鼠所採用的雷射光源、各種量測儀器的雷射光源、顯示領域的雷射光源、光纖通訊中的雷射源、甚至是生醫領域之儀器的雷射光源…等。

一般而言，雷射光束的波長取決於增益介質(gain medium)的電子能階特性，亦即電射光束的波長是對應於電子在特定的能階之間躍遷時，於躍遷前後的兩能階之能量差值。因此，目前人類所能製造出來的雷射之波長並無法涵蓋整個光譜的所有範圍。

倍頻晶體是一種能夠提升雷射光束的頻率之晶體。藉由利用倍頻晶體，人類可以獲得更多不同波長的雷射光束。舉例而言，人類可以利用倍頻晶體而將紅外光雷射光束轉換成頻率較高的綠光雷射光束。

然而，倍頻晶體的轉換效率並非百分之百，因此在一次轉換當中所剩下的未被轉換的光束若沒有經過妥善的利用或回收，則容易導致能量的浪費。此外，這亦會使得所轉換而成的雷射光束的最高功率受到限制。

本發明之一實施例提出一種雷射倍頻模組，適於將一基頻光束倍頻為一三倍頻光束。此雷射倍頻模組包括一第一濾光單元、一第二濾光單元、一二倍頻晶體及一三倍頻晶體。第一濾光單元配置於基頻光束的傳遞路徑上，且適於讓基頻光束穿透。第二濾光單元配置於基頻光束的傳遞路徑上，且適於將基頻光束往第一濾光單元的方向反射，其中第一濾光單元與第二濾光單元之間的空間形成一外部共振腔。二倍頻晶體配置於外部共振腔內，且位於基頻光束的傳遞路徑上，其中二倍頻晶體適於將基頻光束轉換為一二倍頻光束，二倍頻光束的頻率為基頻光束的二倍，且第一濾光單元與第二濾光單元皆適於反射二倍頻光束。三倍頻晶體配置於外部共振腔內，且位於基頻光束與二倍頻光束的傳遞路徑上，其中三倍頻晶體適於將基頻光束與二倍頻光束合頻成三倍頻光束，第一濾光單元適於反射三倍頻光束，第二濾光單元適於讓三倍頻光束穿透，且三倍頻光束經由第二濾光單元離開外部共振腔。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1為本發明之一實施例之雷射產生裝置的架構示意圖。請參照圖1，本實施例之雷射產生裝置10包括一雷射光源50及一雷射倍頻模組100。雷射光源50適於發出一基頻光束B1。在本實施例中，雷射光源50例如為雷射二極體(laser diode)或其他種類之雷射發射器(laser emitter)，而基頻光束B1例如為一雷射光束。雷射倍頻模組100配置於基頻光束B1的傳遞路徑上。

雷射倍頻模組100適於將基頻光束B1倍頻為一三倍頻光束B3。具體而言，雷射倍頻模組100包括一第一濾光單元120、一第二濾光單元130、一二倍頻晶體140及一三倍頻晶體150。第一濾光單元120配置於基頻光束B1的傳遞路徑上，且適於讓基頻光束B1穿透。第二濾光單元130配置於基頻光束B1的傳遞路徑上，且適於將基頻光束B1往第一濾光單元120的方向反射，其中第一濾光單元120與第二濾光單元130之間的空間形成一外部共振腔C，且第一濾光單元120位於雷射光源50與第二濾光單元130之間。

二倍頻晶體140配置於外部共振腔C內，且位於基頻光束B1的傳遞路徑上，其中二倍頻晶體140適於將基頻光束B1轉換為一二倍頻光束B2，且二倍頻光束B2的頻率為基頻光束B1的二倍。其中，二倍頻晶體140的材質包括鈮酸鋰(LiNbO₃ )、碘酸鋰(LiIO₃ )、磷酸鈦氧鉀(KTiOPO₄ ,KTP)或三硼酸鋰(LiB₃ O₅ ,LBO)。此外，在本實施例中，基頻光束B1的波長例如為1064奈米，而二倍頻光束B2的波長例如為532奈米。

第一濾光單元120與第二濾光單元130皆適於反射二倍頻光束B2，如此一來，大部分的二倍頻光束B2便可以不斷地在外部共振腔C中共振。三倍頻晶體150配置於外部共振腔C內，且位於基頻光束B1與二倍頻光束B2的傳遞路徑上，其中三倍頻晶體150適於將基頻光束B1與二倍頻光束B2合頻成三倍頻光束B3，換言之，三倍頻光束B3的頻率等於基頻光束B1的頻率加上二倍頻光束B2的頻率，亦即三倍頻光束B3的頻率為基頻光束B1的三倍。其中，三倍頻晶體150的材質包括鈮酸鋰(LiNbO₃ )、碘酸鋰(LiIO₃ )、磷酸鈦氧鉀(KTiOPO₄ ,KTP)、三硼酸鋰(LiB₃ O₅ ,LBO)或偏硼酸鋇(BaB₂ O₄ ,BBO)。

第一濾光單元120適於反射三倍頻光束B3，第二濾光單元130適於讓三倍頻光束B3穿透，且三倍頻光束B3經由第二濾光單元130離開外部共振腔C。因此，藉由上述之倍頻及合頻的過程，便可將基頻光束B1轉換成三倍頻光束B3其中從第二濾光單元130射出的三倍頻光束B3為雷射光束，在本實施例中例如為波長為355奈米的雷射光束。

在本實施例之雷射產生裝置10及雷射倍頻模組100中，由於第一濾光單元120與第二濾光單元130皆適於反射二倍頻光束B2，而使大部分的二倍頻光束B2不斷地在外部共振腔C中共振，因此即使三倍頻晶體150在一次的合頻過程中沒有將基頻光束B1與所有的二倍頻光束B2都轉換為三倍頻光束B3，二倍頻光束B2仍然會繼續保留在外部共振腔C中等待下一次的合頻過程，進而達到對二倍頻光束B2之回收及再利用的效果。如此一來，便能夠有效降低倍頻過程的能量損失，亦可提高本實施例之雷射產生裝置10之輸出功率，或提高本實施例之雷射倍頻模組100的倍頻轉換效率。

在本實施例中，第一濾光單元120對基頻光束B1具有高穿透率，且第二濾光單元130對基頻光束B1具有高反射率。如此一來，基頻光束B1便可以順利穿透第一濾光單元120而傳遞至外部共振腔C中。此外，第一濾光單元120與第二濾光單元130皆對二倍頻光束B2具有高反射率，如此一來，便能夠有效達到對二倍頻光束B2的回收及再利用。再者，第一濾光單元120對三倍頻光束B3具有高反射率，且第二濾光單元130對三倍頻光束B3具有高穿透率，如此一來，三倍頻光束B3便可經由第二濾光單元130射出外部共振腔C外。上述高穿透率例如是大於95%，而上述高反射率例如是大於95%。

在本實施例中，三倍頻晶體150配置於第一濾光單元120與二倍頻晶體140之間。此外，在本實施例中，第一濾光單元120包括一第一凹透鏡122、一第一濾光膜124及一凸透鏡126。第一凹透鏡122具有一朝向外部共振腔C的一第一凹面121。第一濾光膜124配置於第一凹面121上，其中第一濾光膜124對基頻光束B1具有高穿透率，且第一濾光膜124對二倍頻光束B2與三倍頻光束B3具有高反射率。凸透鏡126配置於第一濾光膜124與三倍頻晶體150之間。在本實施例中，凸透鏡126的有效焦距之絕對值大於第一凹透鏡122的有效焦距之絕對值，因此第一凹透鏡122與凸透鏡126可視為一聚焦單元，而適於將基頻光束B1聚焦於二倍頻晶體140。由於倍頻轉換效率與基頻光束B1的光強度呈正相關，所以將基頻光束B1聚焦於二倍頻晶體140可以提升從基頻光束B1轉換為二倍頻光束B2的轉換效率。在本實施例中，第一凹透鏡122例如為平凹透鏡，而凸透鏡126例如為平凸透鏡。然而，在其他實施例中，第一凹透鏡122與凸透鏡126亦可以分別是其他種類的凹透鏡與凸透鏡。舉例而言，凸透鏡126亦可以是雙凸透鏡。

在本實施例中，第二濾光單元130包括一第二凹透鏡134及一第二濾光膜132。第二凹透鏡134具有一朝向外部共振腔C的一第二凹面131。第二濾光膜132配置於第二凹面131上，其中第二濾光膜132對基頻光束B1與二倍頻光束B2具有高反射率，第二濾光膜132對三倍頻光束B3具有高穿透率，且第二濾光膜132適於將基頻光束B1與二倍頻光束B2聚焦於三倍頻晶體150上，以提高三倍頻晶體150的合頻轉換效率。

由於第一濾光膜124對基頻光束B1而言具有高穿透率，因此第一濾光單元120對於基頻光束B1而言可等效為一凸透鏡。此外，由於第一濾光膜124對二倍頻光束B2而言具有高反射率，因此第一濾光單元120對於二倍頻光束而言可等效為一凹面鏡。此外，在本實施例中，對基頻光束B1而言之等效凸透鏡的焦距大於對二倍頻光束而言之等效凹面鏡的焦距。同理，由於第一濾光膜124對三倍頻光束B3而言具有高反射率，因此第一濾光膜對三倍頻光束B1而言可等效為凹面鏡。

另一方面，由於第二濾光膜132對基頻光束B1與二倍頻光束B2而言皆具有高穿透率，因此第二濾光膜132對基頻光束B1與二倍頻光束B2而言可等效為一凹面鏡。在本實施例中，二倍頻晶體140可配置於第二濾光膜132的一倍焦距至二倍焦距附近，而三倍頻晶體150則可配置於第二濾光膜132之二倍焦距以外的位置，如此一來，從二倍頻晶體140轉換而成的二倍頻光束B2在經由第二濾光膜132的反射後，便能夠會聚於三倍頻晶體150上。舉例而言，基頻光束B1的光腰P1(即光束的經由匯聚後，其截面積最小處)是落在二倍頻晶體140上，且位於第二濾光膜132的一倍焦距與二倍焦距之間。此外，二倍頻光束的光腰P2例如是落在三倍頻晶體150上，且位於第二濾光膜132的二倍焦距之外(即光腰P2與第二濾光膜132的距離大於第二濾光膜132的焦距之兩倍。

在本實施例中，雷射倍頻模組100更包括一單向光傳遞器160，配置於基頻光束B1的傳遞路徑上，且位於雷射光源50與第一濾光單元120之間。單向光傳遞器160具有使特定波長光單向通過而阻擋反方向的特定波長光之特性。具體而言，單向光傳遞器160適於使基頻光束B1沿著一第一方向(例如為圖1之由左至右的方向)穿透單向光傳遞器160而傳遞至第一濾光單元120，且單向光傳遞器160適於阻擋來自第一濾光單元120且沿著一相反於第一方向的第二方向(例如為圖1之由右至左的方向)傳遞至單向光傳遞器160的基頻光束B1。如此一來，從外部共振腔C中經由第一濾光單元120往雷射光源50射出的基頻光束B1便能夠被單向光傳遞器160所阻擋，而不會傳遞至雷射光源50而使雷射光源50受損。在本實施例中，單向光傳遞器160例如為光隔離器。然而，在其他實施例中，單向光傳遞器160亦可以包括光學濾波器、光纖布拉格光柵或波長分離多工器。在一實施例中，單向光傳遞器160與第一濾光單元120可以整合為一體。舉例而言，第一凹透鏡122可與單向光傳遞器160整合為一體。此外，在另一實施例中，亦可以是第一凹透鏡122與凸透鏡126整合為一體。

以下表一至表三舉出本實施例之雷射產生裝置的一實施例之實驗數據，這些實驗數據只是用以作舉例說明，而本發明不以此為限。

以上表一、表二與表三分別列出基頻光束B1、二倍頻光束B2與三倍頻光束B3的數據。表三中，一次三倍頻峰值功率為368瓦是指二倍頻光束B2與基頻光束B1在第一次通過三倍頻晶體150而合頻為三倍頻光束B3時，三倍頻光束B3的峰值功率為368瓦。此外，2～4次三倍頻峰值功率總合為1410瓦是指基頻光束B1與剩餘二倍頻光束B2在第2～4次通過三倍頻晶體150而合頻為三倍頻光束B3時，這三次合頻所產生的三倍頻光束B3的峰值功率之總合為1410瓦。

由以上實驗數據可知，本實施例之雷射倍頻模組100的三倍頻轉換效率高達7.11%，這是因為本實施例之雷射倍頻模組100能夠將二倍頻光束B2有效地回收與再利用。

綜上所述，在本發明之實施例之雷射產生裝置及雷射倍頻模組中，由於第一濾光單元與第二濾光單元皆適於反射二倍頻光束，而使大部分的二倍頻光束不斷地在外部共振腔中共振，因此即使三倍頻晶體在一次的合頻過程中沒有將基頻光束與所有的二倍頻光束都轉換為三倍頻光束，二倍頻光束仍然會繼續保留在外部共振腔中等待下一次的合頻過程，進而達到對二倍頻光束之回收及再利用的效果。如此一來，便能夠有效降低倍頻過程的能量損失，亦可提高本發明之實施例之雷射產生裝置之輸出功率，或提高本發明之實施例之雷射倍頻模組的倍頻轉換效率。

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。

10．．．雷射產生裝置

50．．．雷射光源

100．．．雷射倍頻模組

120．．．第一濾光單元

121．．．第一凹面

122．．．第一凹透鏡

124．．．第一濾光膜

126．．．凸透鏡

130．．．第二濾光單元

131．．．第二凹面

132．．．第二濾光膜

134．．．第二凹透鏡

140．．．二倍頻晶體

150．．．三倍頻晶體

160．．．單向光傳遞器

B1．．．基頻光束

B2．．．二倍頻光束

B3．．．三倍頻光束

C．．．外部共振腔

P1．．．光腰

P2．．．光腰

圖1為本發明之一實施例之雷射產生裝置的架構示意圖。

10．．．雷射產生裝置

50．．．雷射光源

100．．．雷射倍頻模組

120．．．第一濾光單元

121．．．第一凹面

122．．．第一凹透鏡

124．．．第一濾光膜

126．．．凸透鏡

130．．．第二濾光單元

131．．．第二凹面

132．．．第二濾光膜

134．．．第二凹透鏡

140．．．二倍頻晶體

150．．．三倍頻晶體

160．．．單向光傳遞器

B1．．．基頻光束

B2．．．二倍頻光束

B3．．．三倍頻光束

C．．．外部共振腔

P1．．．光腰

P2．．．光腰

Claims (10)

1. 一種雷射倍頻模組，適於將一基頻光束倍頻為一三倍頻光束，該雷射倍頻模組包括：一第一濾光單元，配置於該基頻光束的傳遞路徑上，且適於讓該基頻光束穿透；一第二濾光單元，配置於該基頻光束的傳遞路徑上，且適於將該基頻光束往該第一濾光單元的方向反射，其中該第一濾光單元與該第二濾光單元之間的空間形成一外部共振腔；一二倍頻晶體，配置於該外部共振腔內，且位於該基頻光束的傳遞路徑上，其中該二倍頻晶體適於將該基頻光束轉換為一二倍頻光束，且該第一濾光單元與該第二濾光單元皆適於反射該二倍頻光束；以及一三倍頻晶體，配置於該外部共振腔內，且位於該基頻光束與該二倍頻光束的傳遞路徑上，其中該三倍頻晶體適於將該基頻光束與該二倍頻光束合頻成該三倍頻光束，該第一濾光單元適於反射該三倍頻光束，該第二濾光單元適於讓該三倍頻光束穿透，且該三倍頻光束經由該第二濾光單元離開該外部共振腔。
2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射倍頻模組，其中該第一濾光單元對該基頻光束具有高穿透率，該第一濾光單元對該二倍頻光束與該三倍頻光束具有高反射率，該第二濾光單元對該基頻光束與該二倍頻光束具有高反射率，且該第二濾光單元對該三倍頻光束具有高穿透率。
3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射倍頻模組，其中該三倍頻晶體配置於該第一濾光單元與該二倍頻晶體之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述之雷射倍頻模組，其中該第一濾光單元包括：一第一凹透鏡，具有一朝向該外部共振腔的一第一凹面；一第一濾光膜，配置於該第一凹面上，其中該第一濾光膜對該基頻光束具有高穿透率，且該第一濾光膜對該二倍頻光束與該三倍頻光束具有高反射率；以及一凸透鏡，配置於該第一濾光膜與該三倍頻晶體之間，其中該凸透鏡的有效焦距之絕對值大於該第一凹透鏡的有效焦距之絕對值，其中該第一凹透鏡與該凸透鏡適於將該基頻光束聚焦於該二倍頻晶體。
5. 如申請專利範圍第3項所述之雷射倍頻模組，其中該第二濾光單元包括：一第二凹透鏡，具有一朝向該外部共振腔的一第二凹面；以及一第二濾光膜，配置於該第二凹面上，其中該第二濾光膜對該基頻光束與該二倍頻光束具有高反射率，該第二濾光膜對該三倍頻光束具有高穿透率，且該第二濾光膜適於將該基頻光束與該二倍頻光束聚焦於該三倍頻晶體上。
6. 如申請專利範圍第5項所述之雷射倍頻模組，其中該二倍頻晶體配置於該第二濾光膜的一倍焦距至二倍焦距附近，且該三倍頻晶體配置於該第二濾光膜之二倍焦距以外的位置。
7. 如申請專利範圍第1項所述之雷射倍頻模組，其中該二倍頻晶體的材質包括鈮酸鋰(LiNbO₃ )、碘酸鋰(LiIO₃ )、磷酸鈦氧鉀(KTiOPO₄ ,KTP)或三硼酸鋰(LiB₃ O₅ ,LBO)，且該三倍頻晶體的材質包括鈮酸鋰(LiNbO₃ )、碘酸鋰(LiIO₃ )、磷酸鈦氧鉀(KTiOPO₄ ,KTP)、三硼酸鋰(LiB₃ O₅ ,LBO)或偏硼酸鋇(BaB₂ O₄ ,BBO)。
8. 如申請專利範圍第1項所述之雷射倍頻模組，更包括一單向光傳遞器，配置於該基頻光束的傳遞路徑上，其中該單向光傳遞器適於使該基頻光束沿著一第一方向穿透該單向光傳遞器而傳遞至該第一濾光單元，且該單向光傳遞器適於阻擋來自該第一濾光單元且沿著一相反於該第一方向的第二方向傳遞至該單向光傳遞器的該基頻光束。
9. 如申請專利範圍第8項所述之雷射倍頻模組，其中該單向光傳遞器可與該第一濾光單元整合為一體。
10. 如申請專利範圍第8項所述之雷射倍頻模組，其中該單向光傳遞器包括光隔離器、光學濾波器、光纖布拉格光柵或波長分離多工器。