TWI502834B - 雙波長雷射裝置及其製造方法 - Google Patents

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TWI502834B TW102120985A TW102120985A TWI502834B TW I502834 B TWI502834 B TW I502834B TW 102120985 A TW102120985 A TW 102120985A TW 102120985 A TW102120985 A TW 102120985A TW I502834 B TWI502834 B TW I502834B
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Chun Yu Cho
Chuan Ching Chang
Yung Fu Chen
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Yung Fu Chen
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雙波長雷射裝置及其製造方法
本發明係關於一種雷射裝置，尤其是一種產生雙波長雷射光的雷射裝置。
雙波長雷射被廣泛應用在各種領域，例如光纖通訊、光碟讀取或是醫療應用，其中大多使用1064 nm波長或532 nm波長的雷射。然而習知的雙波長雷射裝置係採用兩種雷射裝置以達到產生兩種波長的雷射的效果，其具佔用體積大及高成本之缺點。
包含準三能階系統的雙波長雷射裝置仍存有許多問題，包括：(1)嚴重的再吸收損失；(2)因為無法有效利用殘餘之能量，光轉換效率差，幾乎都低於20%。
職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「雙波長雷射裝置及其製造方法」，能夠克服上述缺點，以下為本案之簡要說明。
本發明之一面向係提供一種雙波長雷射裝置，包括：一第一共振腔，具有一第一增益介質，且用以產生一第一輸出光；一第二共振腔，具有一第二增益介質，且用以產生一第二輸出光，其中該第二增益介質被配置於連接該第一增益介質。
本發明之另一面向係提供一種雙波長雷射裝置，包括：一第一增益介質，具一第一前表面及一第一後表面；以及一第二增益介質，具一第二前表面及一第二後表面，其中該第二前表面與該第一後表面相接觸。
本發明之又一面向係提供一種雙波長雷射裝置，包括：一第一增益介質，因應一激發光而產生一第一輸出光；以及一第二增益介質，與該第一增益介質對齊設置，因應該激發光而產生一第二輸出光。
100‧‧‧雙波長雷射裝置
105‧‧‧激發光源
110‧‧‧聚焦元件
115‧‧‧輸入平面鏡
116‧‧‧第一面
117‧‧‧第二面
120‧‧‧第一增益介質
121‧‧‧第一面
122‧‧‧第二面
125‧‧‧第二增益介質
126‧‧‧第一面
127‧‧‧第二面
130‧‧‧第一輸出耦合鏡
131‧‧‧第一面
132‧‧‧第二面
135‧‧‧第二輸出耦合鏡
136‧‧‧第一面
137‧‧‧第二面
140‧‧‧輸出光
145‧‧‧第一共振腔
150‧‧‧第二共振腔
從以下關於較佳實施例的描述中可以更詳細地瞭解本發明，這些較佳實施例是作為實例給出的，並且是結合附圖而被理解的，其中：第1圖，其揭示依照本發明實施例之雙波長雷射裝置示意圖；第2圖，其揭示依照本發明實施例之輸出功率對比輸入激發光功率之比較圖；第3圖，揭示依照本發明實施例之輸出功率對比間隔距離之比較圖；以及第4a與4b圖，其揭示依照本發明實施例之實驗數據圖。
本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。
本文中用語“較佳”是非排他性的，應理解成“較佳為但不限於”，任何說明書或請求項中所描述或者記載的任何步驟可按任何順序執行，而不限於請求項中所述的順序，本發明的範圍應僅由所附請求項 及其均等方案確定，不應由實施方式示例的實施例確定。
用語“包括”及其變化出現在說明書和請求項中時，是一個開放式的用語，不具有限制性含義，並不排除其他特徵或步驟。
請參閱第1圖，其揭示依照本發明實施例之雙波長雷射裝置示意圖。在第1圖中，雙波長雷射裝置100包括激發光源105、聚焦元件110、輸入平面鏡115、第一增益介質120、第二增益介質125、第一輸出耦合鏡130、第二輸出耦合鏡135以及輸出光140。較佳的，激發光源105為功率20W波長808 nm的光耦合雷射二極體。較佳的，第一增益介質120為第一摻釹釩酸類晶體。較佳的，第二增益介質125為第二摻釹釩酸類晶體。在本發明的某些實施例中，第一增益介質120為摻釹釔鋁榴石晶體(Nd：YAG)，第二增益介質125為摻釹釩酸釔晶體(Nd：YVO4 )。較佳的輸出光140包含波長946 nm輸出光及波長1064 nm輸出光。
根據本發明之某些實施例，第1圖展示本發明之雙波長雷射裝置的共振腔室配置，其包含第一共振腔145以及第二共振腔150。在本發明的某些實施例中，第一共振腔145包括第一增益介質120以及第一輸出耦合鏡130。較佳的，第一增益介質120為Nd：YAG，其長度為2 mm、橫切孔徑為3 x 3 mm2 且具有第一面121與第二面122。第一面121所鍍之材料使波長946 nm的光可高度反射(反射率大於99.8%)而波長808 nm及波長1064 nm的光可高度穿透(穿透率大於95%)。第二面122所鍍之材料對波長946 nm及波長1064 nm的光有抗反射的效果。較佳的，第一輸出耦合鏡130具有第一面131與第二面132。第一面131所鍍之材料使波長946 nm的光可部份反射(反射率等於95%)而波長 1064 nm的光可高度穿透(穿透率大於99%)。第二面132所鍍之材料對波長946 nm及波長1064 nm的光有抗反射的效果。
在本發明的某些實施例中，第二共振腔150包括輸入平面鏡115、第二增益介質125以及第二輸出耦合鏡135。較佳的，輸入平面鏡115具有第一面116及第二面117。第一面116所鍍之材料對波長808 nm的光有抗反射的效果。第二面117所鍍之材料使波長1064 nm的光可高度反射(反射率大於99.8%)而波長808 nm可高度穿透(穿透率大於95%)。較佳的，第二增益介質125為Nd：YVO4 ，其長度為6 mm、橫切孔徑為3 x 3 mm2 且具有第一面126與第二面127，其中第一面126及第二面127所鍍之材料對波長946 nm及波長1064 nm的光有抗反射的效果。較佳的，第一增益介質120與第二增益介質125無縫接合，而第二增益介質125可吸收第一增益介質120殘餘的激發光。在本發明的某些實施例中，Nd：YVO4 可吸收Nd：YAG殘餘的激發光。較佳的，第二輸出耦合鏡135具有第一面136與第二面137。第一面136所鍍之材料使波長1064 nm的光可部份反射(反射率等於10%)而波長946 nm的光可高度穿透(穿透率大於90%)。第二面122所鍍之材料對波長946 nm及波長1064 nm的光有抗反射的效果。較佳的，Nd：YVO4 不會對波長946 nm的輸出光造成明顯的耗損。根據本發明的其他實施例，藉由調整第一輸出耦合鏡130與第二輸出耦合鏡135的間隔距離可改變輸出功率比例(P946 /P1064 )，例如，1.5 cm至4.0 cm的範圍。根據本發明之某些實施例，Nd：YAG對波長808 nm的激發光的吸收率約為53%，即進入Nd：YVO4 的殘餘激發光約為47%。
請參閱第2圖，其揭示依照本發明實施例之輸出功率對比輸入 激發光功率之比較圖。在第2圖中，雙波長雷射裝置之輸出波長為946 nm與1064 nm，第一輸出耦合鏡130與第二輸出耦合鏡135的間隔距離為5 cm。當激發光功率增加時，雙波長的輸出功率也跟著提升。在最大激發光功率為17 W時，雙波長的總輸出功率為5.2 W，而波長946 nm的輸出功率為2.48 W，波長1064 nm的輸出功率為2.72 W。
請參閱第3圖，其揭示依照本發明實施例之輸出功率對比間隔距離之比較圖。如第3圖所示，在最大激發光功率為17 W時，第一輸出耦合鏡130與第二輸出耦合鏡135的間隔距離的可調整範圍為2.5 cm至5.0 cm，而輸出功率比例(P946 /P1064 )的範圍則為0.3至0.9。
請參閱第4a與4b圖，其揭示依照本發明實施例之實驗數據圖。在第4a圖中，其係為第一輸出耦合鏡130與第二輸出耦合鏡135的間隔距離為4 cm且最大激發光功率為17 W時的光譜圖。在第4b圖中，其係為第一輸出耦合鏡130與第二輸出耦合鏡135的間隔距離為1.5 cm且最大激發光功率為17 W時的光譜圖。在本發明的某些實施例中，波長946 nm與1064 nm的雙波長雷射裝置的光轉換效率大於30%。根據本發明的實施例，波長946 nm的輸出光與1064 nm的輸出光的光束質量參數各約為1.3至1.5。
在本發明的其他實施例中，雙波長雷射裝置具有激發光源、聚焦元件、輸入平面鏡、第一增益介質、第二增益介質、輸出耦合鏡以及輸出光，其中激發光源為功率20W波長808 nm的光耦合雷射二極體。較佳的，第一增益介質為第一摻釹釩酸類晶體。較佳的，第二增益介質為第二摻釹釩酸類晶體。在本發明的某些實施例中，第一增益介質為摻釹釔鋁榴石晶體(Nd：YAG)，第二增益介質為摻釹釩酸釔晶體 (Nd：YVO4)。較佳的輸出光包含波長946 nm輸出光及波長1064 nm輸出光。根據本發明的其它實施例，第一共振腔包括第一增益介質以及輸出耦合鏡，而第二共振腔包括輸入平面鏡、第二增益介質以及輸出耦合鏡，即第一共振腔與第二共振腔共用輸出耦合鏡。較佳的，可在輸出耦合鏡靠近第二增益介質的面上鍍有不同反射率的材料以用於輸出不同波長的雷射光，例如，波長946 nm以及波長1064 nm的輸出光。根據本發明的實施例，可調整不同共振腔的長度或是調整單一共振腔的輸出耦合鏡所鍍之材料以輸出雙波長雷射。
本發明具有以下優點，首先，波長946 nm與波長1064 nm的輸出光的輸出功率比例(P946 /P1064 )可彈性調整，其只需調整波長946 nm共振腔之輸出耦合鏡與波長1064 nm共振腔之輸出耦合鏡之間的間隔距離即可。其次，在輸出功率比例(P946 /P1064 )為0.3至0.9的範圍內且最大激發光功率為17 W時，總輸出功率均超過5.2 W。在本發明的實施例中，利用較短的Nd：YAG減少產生946 nm雷射光時再吸收的損失，並將Nd：YVO4 連接在Nd：YAG之後，藉由吸收殘餘的激發光以產生1064 nm的雷射光，故本發明的光轉換總效率大於30%，為具有波長946 nm與波長1064 nm的雙波長雷射裝置中最佳的轉換效率。
茲提供更多本發明之實施例如下文。
實施例1：一種雙波長雷射裝置，包括：一第一共振腔，具有一第一增益介質，且用以產生一第一輸出光；一第二共振腔，具有一第二增益介質，且用以產生一第二輸出光，其中該第二增益介質被配置於連接該第一增益介質。
實施例2：如前述各實施例所述之方法，其中該第一增益介質為 一第一摻釹釩酸類晶體而該第二增益介質為一第二摻釹釩酸類晶體。
實施例3：如前述各實施例所述之方法，其中該第一增益介質為一摻釹釔鋁榴石晶體而該第二增益介質為一摻釹釩酸釔晶體。
實施例4：如前述各實施例所述之方法，其中該第一輸出光的波長為946 nm。
實施例5：如前述各實施例所述之方法，其中該第二輸出光的波長為1064 nm。
實施例6：如前述各實施例所述之方法，其中該第一共振腔更包括一第一輸出耦合鏡。
實施例7：如前述各實施例所述之方法，其中該第二共振腔更包括一平面鏡以及一第二輸出耦合鏡。
實施例8：如前述各實施例所述之方法，更包括一雷射二極體，其做為一激發光源以提供一激發光；以及一聚焦元件，具有複數條光纖，且接收該激發光，其中該激發光由該聚焦元件聚焦後傳遞至該第一共振腔。
實施例9：一種雙波長雷射裝置，包括：一第一增益介質，具一第一前表面及一第一後表面；以及一第二增益介質，具一第二前表面及一第二後表面，其中該第二前表面與該第一後表面相接觸。
實施例10：一種雙波長雷射裝置，包括：一第一增益介質，因應一激發光而產生一第一輸出光；以及一第二增益介質，與該第一增益介質對齊設置，因應該激發光而產生一第二輸出光。
以上所述僅為本發明之最佳實施例，當不能以之限定本發明所實施之範圍，本發明之範圍應以申請專利範圍為準，即大凡依本發明申 請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
100‧‧‧雙波長雷射裝置
105‧‧‧激發光源
110‧‧‧聚焦元件
115‧‧‧輸入平面鏡
116‧‧‧第一面
117‧‧‧第二面
120‧‧‧第一增益介質
121‧‧‧第一面
122‧‧‧第二面
125‧‧‧第二增益介質
126‧‧‧第一面
127‧‧‧第二面
130‧‧‧第一輸出耦合鏡
131‧‧‧第一面
132‧‧‧第二面
135‧‧‧第二輸出耦合鏡
136‧‧‧第一面
137‧‧‧第二面
140‧‧‧輸出光
145‧‧‧第一共振腔
150‧‧‧第二共振腔

Claims (10)

  1. 一種雙波長雷射裝置，包括：一第一共振腔，具有一第一增益介質，且用以產生一第一輸出光；一第二共振腔，具有一第二增益介質，且用以產生一第二輸出光，其中該第二增益介質被配置於連接該第一增益介質，且該第一增益介質與該第二增益介質被配置於該第一共振腔中。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙波長雷射裝置，其中該第一增益介質為一第一摻釹釩酸類晶體而該第二增益介質為一第二摻釹釩酸類晶體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雙波長雷射裝置，其中該第一增益介質為一摻釹釔鋁榴石晶體而該第二增益介質為一摻釹釩酸釔晶體。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雙波長雷射裝置，其中該第一輸出光的波長為946nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之雙波長雷射裝置，其中該第二輸出光的波長為1064nm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之雙波長雷射裝置，其中該第一共振腔更包括一第一輸出耦合鏡。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之雙波長雷射裝置，其中該第二共振腔更包括一平面鏡以及一第二輸出耦合鏡。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之雙波長雷射裝置，更包括一雷射二極體，其做為一激發光源以提供一激發光；以及一聚焦元件，具有複數條光纖，且接收該激發光，其中該激發光由該聚焦元件聚焦後傳遞至該第一共振腔。
  9. 一種雙波長雷射裝置，包括： 一第一增益介質，具一第一前表面及一第一後表面；以及一第二增益介質，具一第二前表面及一第二後表面，其中該第二前表面與該第一後表面相接觸，且該第一增益介質與該第二增益介質被配置於由該第一前表面與一輸出耦合鏡所形成的一共振腔中。
  10. 一種雙波長雷射裝置，包括：一共振腔；一第一增益介質，因應一激發光而產生一第一輸出光；以及一第二增益介質，與該第一增益介質對齊設置於該共振腔中，因應該激發光而產生一第二輸出光。
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