TWI497850B - 雷射裝置及產生雷射光的方法 - Google Patents

Description

雷射裝置及產生雷射光的方法

本揭露係關於一種雷射裝置與產生雷射光的方法，特別是一種採用誘發光線以提升特定波長之雷射光之轉換效率的雷射裝置及產生雷射光的方法。

這些年來，由於醫療技術的進步，對於人體健康狀況之監測越來越顯得重要。利用雷射光對人體疾病或組織進行治療或診察也是雷射領域快速進展的一個應用，主要是利用雷射光與組織細胞相互作用所產生的效果。例如，在外科上的應用將雷射照射人體部位，人體組織細胞在吸收部份雷射光能量後將其轉換為熱能，使組織溫度局部上升，當溫度在攝氏60到80度時可用來止血；或是經雷射光照射後，人體系統增加的胺基酸可達到降低疼痛的效果；或是利用雷射光有效減輕疼痛、過敏和發炎反應，並且扮演著促進傷痛治療的角色。另一方面，雷射光源也大量的應用在通訊、電腦資料光纖網路、環保、監測及軍事方面，例如雷射光具有高方向性(亦即有極小的發散角)、高訊號載運量及保密性等優點，尤其是體積小、價格便宜、直接調變快速及可積體化的半導體雷射，因為十分適合作為”可攜式”通訊系統及可應用於電腦資訊光纖網路之光源。

一般而言，各種傳統已用於習知技術中的生醫治療雷射光源大多是屬於中紅外線雷射系統，但目前尚無法將中紅外線雷射系 統之的雷射光的轉換效率有效地提升，其主要原因為位於雷射晶體中的原子能階組態之分佈而造成的雷射光的低轉換效率。在通常狀況下，以泵浦光源激發出的雷射光會涉及雷射晶體中多個原子能階之間的能量轉移，並於不同能階差之間產生不同波長的光線，因此若針對特定能階差之特定波長而言，其雷射光的轉換效率會較低。

根據本揭露之一實施例的一種雷射裝置，其包括一雷射晶體、一第一鏡、一誘發光線、一第三光線、及一第二鏡。雷射晶體包含一增益介質、一第一斷面、及一第二斷面。增益介質使雷射晶體具有一第一能階、一第二能階、及一第三能階。每一能階具有多個原子，當位於第三能階的多個原子躍遷至第二能階時，產生一第一光線。而當位於第二能階的多個原子躍遷至第一能階時，產生一第二光線。第一光線具有一第一波長，且第二光線具有一第二波長。第一鏡則位於雷射晶體之第一斷面並反射第一光線與第二光線。誘發光線之波長與第二光線之波長實質上相同，且誘發光線由第一鏡射入雷射晶體並誘發位於第二能階的多個原子躍遷至第一能階。第三光線用以照射雷射晶體以使位於雷射晶體之第一能階的多個原子躍遷至第二能階與第三能階，或使第二能階的多個原子躍遷至第三能階。第二鏡則位於雷射晶體之第二斷面，且第二鏡係反射第一光線並讓至少80%的第二光線反射入雷射晶體。

根據本揭露之一實施例的一種產生雷射光的方法，包含將一第三光線射入一雷射晶體，雷射晶體包含一增益介質，增益介質使雷射晶體具有一第一能階、一第二能階、及一第三能階，每一能階具有多個原子，當位於第三能階的多個原子躍遷至第二能階時，產生一第一光線，當位於第二能階的多個原子躍遷至第一能階時，產生一第二光線，第一光線具有一第一波長，第二光線具有一第二波長，第三光線具有一第三波長，以及將一誘發光線射入雷射晶體以誘發位於第二能階的多個原子躍遷至第一能階，誘發光線之波長與第二光線之波長實質上相同。

以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本揭露之精神與原理，並且提供本揭露之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本揭露之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本揭露之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本揭露相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本揭露之觀點，但非以任何觀點限制本揭露之範疇。

請參照『第1圖』，係為根據本揭露之一實施例之一種雷射裝置100，其包括一雷射晶體101、一第一鏡102、一第二鏡103、一誘發光源104、及一第三光源105。

請接著參照『第2圖』，係為『第1圖』之一種雷射裝置100的能階示意圖，請同時參閱『第1圖』與『第2圖』，雷射晶體101包含一增益介質106、一第一斷面107、及一第二斷面108，其中增益介質106使雷射晶體101具有第一能階201、第二能階202、及第三能階203。

在一實施例中，此雷射晶體101的長度可為但不限於10公分，而增益介質106可為但不限於鉺且增益介質106的摻雜濃度可為但不限於50%，例如40%或60%。每一能階具有多個原子204、205、206，當位於第三能階203的原子206躍遷至第二能階202時，產生一第一光線207並輻射出一第一波長，而當位於第二能階202的原子205躍遷至第一能階201時，產生一第二光線208並輻射出一第二波長。

此外，第一鏡102與第二鏡103分別位於雷射晶體101之第一斷面107與第二斷面108，且第二鏡103係反射具有第一波長之第一光線207並讓至少80%的第二波長反射入雷射晶體101。其中第一鏡102對第一波長的反射率高於第二鏡103對第一波長的反射率，而第二鏡103對第二波長的反射率高於第一鏡102對第二波長的反射率。另一方面，第二鏡103對第一波長的穿透率高於第一鏡102對第一波長的穿透率，而第一鏡102對第二波長的穿透率高於第二鏡103對第二波長的穿透率。其中前述的第一鏡102或第二鏡103反射具有第一波長或第二波長的光線是表示第一鏡102或第二鏡103實質上會反射至少80%之具有第一波長或第二波 長的光線。

如『第1圖』與『第2圖』所示，誘發光源104用以產生一誘發光線109，此誘發光線109由第一鏡102射入雷射晶體101且誘發光線109之波長對應第一能階201與第二能階202的能量差，並用以誘發位於第二能階202的多個原子205躍遷回第一能階201，此時會產生一輻射光線，此輻射光線的波長正好與第二光線208之波長相差在以5%內。第三光源105用以產生一第三光線110，此第三光線110照射入雷射晶體101，以使位於雷射晶體101之第一能階201的多個原子204躍遷至第二能階202與第三能階203，或使第二能階202的多個原子205躍遷至第三能階203。在一實施例中，第一光線207的波長可介於2650 nm(奈米)至3000 nm，第二光線208與誘發光線109的波長可介於1500 nm至1650 nm，第三光線110的波長可介於940 nm至990 nm。

如『第1圖』與『第2圖』所示，具有增益介質106的雷射晶體101其具有第一能階201、第二能階202、及第三能階203。當第三光線110照射於雷射晶體101時，使得位於雷射晶體101之第一能階201的多個原子204躍遷至第二能階202與第三能階203，或使位於第二能階202的多個原子205躍遷至第三能階203。在經過短暫的平均停留時間後，位於第三能階203的多個原子206將躍遷回第二能階202並同時產生第一光線207，另一方面，位於第二能階202的多個原子205將躍遷回第一能階201並同時產生第二光線208。在部份實施例中，位於第二能階202的多個原子 205與第三能階203的多個原子206之平均停留時間分別可為6400 μs(微秒)與100 μs。

請接著同時參閱『第3圖』至『第5圖』之雷射裝置100，係與『第1圖』之雷射裝置100大致上配置相同。值得一提的是，『第3圖』的第一鏡102與第二鏡103係直接分別形成於雷射晶體101之第一斷面107與第二斷面108，且此第一鏡102與第二鏡103係於成長雷射晶體101時同時生成於雷射晶體101，其中第一鏡102係被迫第三光線110的波長穿透，而第二鏡103係反射第三光線110的波長。『第4圖』的第三光線110係由第一斷面107照射入雷射晶體101，其中第一鏡102係被第三光線110的波長穿透，而第二鏡103係反射第三光線110的波長。『第5圖』除第三光線110係由第一斷面107照射入雷射晶體101之外，亦包括第一鏡102與第二鏡103係直接分別形成於雷射晶體101之第一斷面107與第二斷面108，且此第一鏡102與第二鏡103係於成長雷射晶體101時同時生成於雷射晶體101，其中第一鏡102係被第三光線110的波長穿透，而第二鏡103係反射第三光線110的波長。此外，『第3圖』至『第5圖』之雷射裝置100的工作原理、特性、及效果皆與『第1圖』之雷射裝置100所述大致相同，在此不再贅述。

由於此具有增益介質106的雷射晶體101將產生兩種波長的輻射光線，亦即第一光線207與第二光線208，故此雷射晶體101於第一光線207的光增益將減少，換言之，將使得第一光線207 的轉換效率降低。相反而言，當此時若額外再照射誘發光線109，亦即由第一鏡102照射入雷射晶體101，此時誘發光線109將增加第二能階202的多個原子205躍遷回第一能階201的機率，使位於第二能階202的多個原子205數量減少，以進而增加第三能階203的多個原子206躍遷回第二能階202的機率。換言之，可提升第一光線207的轉換效率。

請接著參照『第6圖』，係為『第1圖』之一種雷射裝置100的光源功率之實體量測結果。如『第6圖』所示的實體量測結果，其橫座標表示第三光線110的輸入功率(W，瓦特)，縱座標表示第一光線207的輸出功率(W，瓦特)。從『第6圖』可得知當第三光線110的輸入功率為5W時，在有額外照射誘發光線109之下，第一光線207的輸出功率為2W(『第6圖』之A點)，而在無額外照射誘發光線109之下，第一光線207的輸出功率則為1.6W(『第6圖』之B點)。故此具有增益介質106的雷射晶體101在額外照射誘發光線109之下，可提升第一光線207的轉換效率以適用於生醫治療。

請接著參照『第7圖』係為根據本揭露之一實施例之一種產生雷射光的方法的流程步驟示意圖。如步驟S710所示，將一第三光線射入一雷射晶體，雷射晶體包含一增益介質，增益介質使雷射晶體具有一第一能階、一第二能階、及一第三能階，每一能階具有多個原子，當位於第三能階的多個原子躍遷至第二能階時，產生一第一光線，當位於第二能階的多個原子躍遷至第一能階 時，產生一第二光線，第一光線具有一第一波長，第二光線具有一第二波長，第三光線具有一第三波長。

接著如步驟S720所示，將一誘發光線射入雷射晶體以誘發位於第二能階的多個原子躍遷至第一能階，誘發光線之波長與第二光線之波長相差在以5%內。其中步驟S710與步驟S720之順序不以此為限，在部份實施例中，步驟S710與步驟S720之順序亦可互換或是同時進行。藉由上述的步驟S710與步驟S720，可提升第一光線的轉換效率以適用於生醫治療。

綜上所述，相較於習知技術，本揭露係透過採用單波長誘發之方式，移除鉺的特定能階之原子，大幅提升2940 nm雷射光增益，此技術之運用可降低固態2940 nm雷射激發源脈衝光的初始能量，提升系統穩定性，並減少脈衝控制電路的輸入功率，提升能源使用率。

雖然本揭露以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露。在不脫離本揭露之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本揭露之專利保護範圍。關於本揭露所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

100‧‧‧雷射裝置

101‧‧‧雷射晶體

102‧‧‧第一鏡

103‧‧‧第二鏡

104‧‧‧誘發光源

105‧‧‧第三光源

106‧‧‧增益介質

107‧‧‧第一斷面

108‧‧‧第二斷面

109‧‧‧誘發光線

110‧‧‧第三光線

201‧‧‧第一能階

202‧‧‧第二能階

203‧‧‧第三能階

204‧‧‧第一能階的多個原子

205‧‧‧第二能階的多個原子

206‧‧‧第三能階的多個原子

207‧‧‧第一光線

208‧‧‧第二光線

第1圖係為根據本揭露之一實施例之一種雷射裝置。

第2圖係為第1圖之一種雷射裝置的能階示意圖。

第3圖係為根據本揭露之另一實施例之一種雷射裝置。

第4圖係為根據本揭露之另一實施例之一種雷射裝置。

第5圖係為根據本揭露之另一實施例之一種雷射裝置。

第6圖係為第1圖之一種雷射裝置的光源功率之實體量測結果。

第7圖係為根據本揭露之一實施例之一種產生雷射光的方法的流程步驟示意圖。

100‧‧‧雷射裝置

101‧‧‧雷射晶體

102‧‧‧第一鏡

103‧‧‧第二鏡

104‧‧‧誘發光源

105‧‧‧第三光源

106‧‧‧增益介質

107‧‧‧第一斷面

108‧‧‧第二斷面

109‧‧‧誘發光線

110‧‧‧第三光線

Claims (21)

1. 一種雷射裝置，用以產生具有一第一波長的雷射光，包括有：一雷射晶體，包含一增益介質、一第一斷面、及一第二斷面，該增益介質使該雷射晶體具有一第一能階、一第二能階、及一第三能階，每一該能階具有多個原子，當位於該第三能階的該些原子躍遷至該第二能階時，產生具有該第一波長的一第一光線，當位於該第二能階的該些原子躍遷至該第一能階時，產生具有一第二波長的一第二光線；一第一鏡，位於該雷射晶體之該第一斷面並反射具有該第一波長之光線，被反射的光線射入該雷射晶體；一誘發光源，用以產生一誘發光線，該誘發光線係由該第一鏡照射入該雷射晶體；一第三光源，用以產生一第三光線，該第三光線用以照射該雷射晶體；以及一第二鏡，位於該雷射晶體之該第二斷面，該第二鏡係反射具有該第二波長之光線，且反射90%之該第一波長之光線，並將反射的光線射入該雷射晶體。
2. 如請求項1所述的雷射裝置，其中該誘發光線之波長與該第二光線之波長相差在以5%內，且該誘發光線係誘發位於該第二能階的該些原子躍遷至該第一能階。
3. 如請求項1所述的雷射裝置，其中該第三光線係使位於該雷射晶體之該第一能階的該些原子躍遷至該第二能階與該第三能 階，或使該第二能階的該些原子躍遷至該第三能階。
4. 如請求項1所述的雷射裝置，其中該增益介質為鉺。
5. 如請求項1所述的雷射裝置，其中該第三光線的波長介於940nm至990nm，該第一波長介於2650nm至3000nm，該第二波長介於1500nm至1650nm。
6. 如請求項5所述的雷射裝置，其中該增益介質為鉺，該誘發光線之波長與該第二光線之波長相差在以5%內，且該誘發光線係誘發位於該第二能階的該些原子躍遷至該第一能階，該第三光線係使位於該雷射晶體之該第一能階的該些原子躍遷至該第二能階與該第三能階，或使該第二能階的該些原子躍遷至該第三能階。
7. 如請求項6所述的雷射裝置，其中該第一鏡對該第一波長的反射率高於該第二鏡對該第一波長的反射率，該第二鏡對該第二波長的反射率高於該第一鏡對該第二波長的反射率。
8. 如請求項7所述的雷射裝置，其中該第二鏡對該第一波長的穿透率高於該第一鏡對該第一波長的穿透率，該第一鏡對該第二波長的穿透率高於該第二鏡對該第二波長的穿透率。
9. 如請求項1所述的雷射裝置，其中該第一光線為生醫治療光線，該第三光源為泵浦光源。
10. 如請求項1所述的雷射裝置，其中該第一斷面與該第一鏡接觸，該第二斷面與該第二鏡接觸。
11. 如請求項1所述的雷射裝置，其中該雷射晶體包含一側面，該 第三光線經由該側面射入該雷射晶體。
12. 如請求項1所述的雷射裝置，其中該第三光線經由該第一鏡射入該雷射晶體。
13. 一種產生雷射光的方法，用以產生具有一第一波長的雷射光，包含：將一第三光線射入一雷射晶體，該雷射晶體包含一增益介質，該增益介質使該雷射晶體具有一第一能階、一第二能階、及一第三能階，每一該能階具有多個原子，當位於該第三能階的該些原子躍遷至該第二能階時，產生具有該第一波長的一第一光線，當位於該第二能階的該些原子躍遷至該第一能階時，產生具有一第二波長的一第二光線；於該雷射晶體的一第一斷面反射具有該第一波長之光線，從而將被反射的光線射入該雷射晶體；於該雷射晶體的一第二斷面反射具有該第二波長之光線及90%之該第一波長之光線，從而將被反射的光線射入該雷射晶體；以及將一誘發光線射入該雷射晶體以誘發位於該第二能階的該些原子躍遷至該第一能階，該誘發光線之波長與該第二光線之波長相差在以5%內。
14. 如請求項13所述之產生雷射光的方法，其中該增益介質為鉺。
15. 如請求項14所述之產生雷射光的方法，其中該第一波長介於2650nm至3000nm。
16. 如請求項15所述之產生雷射光的方法，其中該第二波長介於1500nm至1650nm。
17. 如請求項16所述之產生雷射光的方法，其中該第三光線具有一第三波長，該第三波長介於940nm至990nm。
18. 如請求項14所述之產生雷射光的方法，其中該第一光線為生醫治療光線。
19. 如請求項14所述之產生雷射光的方法，其中該第三光線為泵浦光線。
20. 如請求項13所述之產生雷射光的方法，其中該增益介質為鉺，其中該第三光線為泵浦光線且具有一第三波長，該第一波長介於2650nm至3000nm，該第二波長介於1500nm至1650nm，該第三波長介於940nm至990nm。
21. 如請求項20所述之產生雷射光的方法，其中該第一光線為生醫治療光線，該第三光線為泵浦光線。