TWI519018B - 多波長雷射輸出系統與方法 - Google Patents

Description

多波長雷射輸出系統與方法

本發明係關於一種多波長雷射輸出系統，特別是，可用於雷射微加工的裝置，其輸出波長可選擇且功率配比可調。

雷射自從在1960年被發明以來，在各個領域層面應用非常的廣泛，主要有光纖通信、雷射光譜、雷射測距、雷射雷達、雷射切割、雷射光碟與雷射掃瞄等等，雷射在材料加工的應用上，除了一般的切割、雕刻、穿孔、銲接、微量修整之外，在一些較特別的精密、微細、材料變質等加工領域也愈趨重要。

目前腔外四倍頻系統裝置並不多，大多為三倍頻系統，而目前已知腔外三倍頻雷射微加工裝置，例如第1圖所示，其主要係於一基頻雷射器101的光發射端前方依序設置一二倍頻器102及一三倍頻器103，令基頻雷射器101所發出的基頻光通過二倍頻器102中的二倍頻晶體調變為二倍頻光，再令二倍頻光與基頻光通過三倍頻器103中的和頻晶體調變為三倍頻光，再藉由多色光分離器104阻擋基頻光與二倍頻光，以提供三倍頻雷射加工子系統105使用。又例如第2圖所示之一已知的三倍頻雷射輸出系統，其主要係於一基頻雷射器201的光發射端前方依序設置一能量配比器202，一二倍頻器203，一能量配比器204，與一三倍頻器205，令基頻雷射器201所發出的基頻光通過能量配比器202能輸出基頻雷射光，而基頻雷射器201所發出的基頻光通過二倍頻器203中的二倍頻晶體調變為二倍頻光，再通過能量配比器204可輸出二倍頻雷射光，而基頻雷射器201所發出的基頻光依序通過能量配比器202、二倍頻器203與能量配比器204後，其二倍頻光與基頻光通過三倍頻器205中的和頻晶體調變為三倍頻光而產生三倍頻雷射光輸出。

惟前述的雷射微加工裝置，無論是採用腔外三倍頻或腔內三倍 頻雷射架構，雖可提供雷射加工子系統所須的雷射，但是，該雷射微加工裝置僅能輸出單一波長雷射光，或能量不完全優化之二波長與三波長雷射輸出，而無法提供能量高度優化的四波長、不同功率配比的雷射光予雷射加工子系統，以致雷射微加工裝置之適用範圍過窄，而且有經濟效益不佳之缺點。有鑒於此，申請人經過悉心試驗與研究，並以跳脫傳統智慧的方法，終於發明出本案「四波長雷射輸出系統」，以下為本案之簡要說明。

本發明之目的之一在於提供一種可選譯性及可調功率的多波長(或頻率)雷射輸出加工裝置，藉此設計改善現有雷射微加工裝置僅能輸出單一波長的雷射或能量不完全優化之二波長與三波長輸出的雷射，有效解決多波長雷射輸出頻率優化的的問題，以及經濟效益低之缺點，並擴展加工對象的可能。

根據本發明的第一構想，提供一種多頻率雷射輸出方法，其包括：提供一雷射光；能量配比該雷射光而得一第一雷射光與一第二雷射光；倍頻該第一雷射光而產生一三倍頻雷射光；能量配比該第二雷射光而得一第三雷射光與一基頻雷射光；倍頻該第三雷射光而產生一第四雷射光；能量配比該第四雷射光而得一第五雷射光與一二倍頻雷射光；倍頻該第五雷射光而產生一四倍頻雷射光。

根據本發明的第二構想，提供一種多頻率雷射輸出系統，其包括：一光源，產生一雷射；一第一倍頻裝置；一第二倍頻裝置；一能量配比裝置，將該雷射分配至該第一倍頻裝置而產生一第一頻率雷射，以及將該雷射分配至該第二倍頻裝置而產生一第二頻率雷射。

較佳地，該光源產生之一雷射，之波長範圍介於800nm~1400nm間，該第一倍頻裝置將該雷射之頻率調變成三倍，該第二倍頻裝置將該雷射之頻率調變成兩倍。

較佳地，該第一倍頻裝置包括：一二倍頻裝置；以及一和頻裝置，與該二倍頻裝置直接串連。

較佳地，該第一倍頻裝置是一三倍頻裝置。

較佳地，該多頻率雷射輸出系統更包括一濾光裝置，用以濾得該第一頻率雷射或該該第二頻率雷射，其中該濾光裝置包括一第一濾光片 與一第二濾光片，其中該第一濾光片用以濾得該第一頻率雷射，該第二濾光片用以濾得該第二頻率雷射。

較佳地，該雷射通過該第二倍頻裝置之後，更通過一二倍頻裝置而產生一四倍頻雷射。

較佳地，該多頻率輸出雷射系統更包括一光反射裝置，接收該第一頻率雷射或該第二頻率雷射，用以調整該第一頻率雷射或該第二頻率雷射之方向，使該第一頻率雷射或該第二頻率雷射光束同軸或不同軸輸出。

根據本發明的第三構想，提供一種多頻率雷射輸出方法，其包括：提供一雷射光；能量配比該雷射光而分別沿一第一光路徑及一第二光路徑得一第一雷射光與一第二雷射光；倍頻該第一雷射光而產生一第一頻率雷射；倍頻該第二雷射光而產生一第二頻率雷射，其中各該光路徑俱未重疊並包含一頻率轉換元件，且該第一雷射光與該第二雷射光其中之一為一三倍頻雷射光。

較佳地，該三倍頻雷射光之光路徑上包括一二倍頻晶體及一三倍頻晶體，其中該二倍頻晶體直接光連接於該三倍頻晶體。

透過選擇正確並適當控制能量配比器之能量分配，即可達成任意一波長、二波長、三波長或四波長輸出，不但多波長輸出之功率配比可調，且可對任意一波長、二波長、三波長或四波長之輸出能量做高度的優化。

101‧‧‧基頻雷射產生器

102‧‧‧二倍頻器

103‧‧‧三倍頻器

104‧‧‧多色光分離器

105‧‧‧雷射加工子系統

201‧‧‧基頻雷射產生器

202‧‧‧能量配比器

203‧‧‧二倍頻器

204‧‧‧能量配比器

205‧‧‧三倍頻器

301‧‧‧基頻雷射產生器

302‧‧‧能量配比器

303‧‧‧二倍頻器

304‧‧‧三倍頻器

305‧‧‧濾光片

306‧‧‧能量配比器

307‧‧‧二倍頻器

308‧‧‧能量配比器

309‧‧‧濾光片

310‧‧‧二倍頻器

311‧‧‧光反射器

312‧‧‧濾光片

313‧‧‧光反射器

314‧‧‧濾光片

401‧‧‧基頻雷射產生器

402‧‧‧能量配比器

403‧‧‧二倍頻器

404‧‧‧三倍頻器

405‧‧‧光反射器

406‧‧‧濾光片

407‧‧‧光衰減器

408‧‧‧能量配比器

409‧‧‧二倍頻器

410‧‧‧能量配比器

411‧‧‧光衰減器

412‧‧‧濾光片

413‧‧‧光反射器

414‧‧‧二倍頻器

415‧‧‧光衰減器

416‧‧‧光反射器

417‧‧‧濾光片

418‧‧‧光反射器

419‧‧‧光反射器

420‧‧‧光衰減器

421‧‧‧光反射器

501‧‧‧基頻雷射產生器

502‧‧‧能量配比器

503‧‧‧二倍頻器

504‧‧‧三倍頻器

505‧‧‧光反射器

506‧‧‧光衰減器

507‧‧‧能量配比器

508‧‧‧二倍頻器

509‧‧‧能量配比器

510‧‧‧光衰減器

511‧‧‧光反射器

512‧‧‧二倍頻器

513‧‧‧光衰減器

514‧‧‧光反射器

515‧‧‧光衰減器

516‧‧‧光反射器

517‧‧‧光反射器

518‧‧‧濾光轉輪

第一圖：本發明之一先前技術。

第二圖：本發明之另一先前技術。

第三圖：本發明之一實施例示意圖。

第四圖：本發明之另一實施例示意圖。

第五圖：本發明之又一實施例示意圖。

本案將可由以下的實施例說明而得到充分了解，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。其中相同的標號始終代表相同的組件。

請參閱第三圖，係本發明之多波長雷射輸出系統之一實施例示意圖。該多波長雷射輸出系統包含：基頻雷射產生器301、能量配比器302、二倍頻器303、三倍頻器304、濾光片305、能量配比器306、二倍頻器307、能量配比器308、濾光片309、二倍頻器310、光反射器311、濾光片312、光反射器313與濾光片314。其中，基頻雷射產生器301能產生並輸出基頻雷射，能量配比器302、306與308可以將入射的雷射光分配到兩個光路輸出，同時能控制並調變兩光路的輸出能量，二倍頻器303、307與310較佳是以二倍頻晶體來實現，能將入射的雷射光頻率調變為兩倍輸出，三倍頻器304較佳為一和頻晶體，能將兩個不同頻率的入射雷射光調變為兩個輸入雷射頻率之和的雷射輸出，濾光片305、309、312與314能過濾輸入光線只讓特定波長雷射通過，光反射器311與313能將入射光反射至特定方向。

其中，基頻雷射產生器301產生一基頻雷射，該基頻雷射之波長範圍介於800nm~1400nm間，可選自由一半導體雷射、一固態雷射、一氣態雷射與一液態雷射所組成群體的其中之一，該基頻雷射之全部或一部分可依據需求藉由能量配比器302、能量配比器306被分配至光反射器313，再經濾光片314而以基頻雷射輸出。而又，該基頻雷射產生器301產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器302與能量配比器306被分配至二倍頻晶體307，並依序通過能量配比器308與濾光片309而以二倍頻雷射輸出。並且，該基頻雷射產生器301產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器302與能量配比器306被分配至二倍頻晶體307，產生二倍頻後之雷射光可依據需求藉由能量配比器308分配至二倍頻晶體310，並依序通過光反射器311與濾光片312而以四倍頻雷射輸出。同時，該基頻雷射產生器301產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器302分配至二倍頻晶體303，並依序通過三倍頻晶體304與濾光片305而以三倍頻雷射輸出，因此，選擇正確並適當控制能量配比器302、306與308之能量分配，即可達成任意一波長、二波長、三 波長或四波長輸出，不但多波長輸出之功率配比可調，且可對任意一波長、二波長、三波長或四波長之輸出能量做高度的優化。並且，其中二倍頻器303與三倍頻器304兩者之組合可用一三倍頻晶體取代，而達成產生三倍頻雷射之目的。

請參閱第四圖，係本發明之多波長雷射輸出系統之另一實施例示意圖。該多波長雷射輸出系統包含：基頻雷射產生器401、能量配比器402、二倍頻器403、三倍頻器404、光反射器405、濾光片406、光衰減器407、能量配比器408、二倍頻器409、能量配比器410、光衰減器411、濾光片412、光反射器413、二倍頻器414、光衰減器415、光反射器416、濾光片417、光反射器418、光反射器419、光衰減器420與光反射器421。其中，基頻雷射產生器401能產生並輸出基頻雷射，能量配比器402、408與410可以將入射的雷射光分配到兩個光路輸出，同時能控制並調變兩光路的輸出能量，二倍頻器403、409與414較佳是以二倍頻晶體來實現，能將入射的雷射光頻率調變為兩倍輸出，三倍頻器404較佳為一和頻晶體，能將兩個不同頻率的入射雷射光調變為兩個輸入雷射頻率之和的雷射輸出，濾光片406、412與417能過濾輸入光線只讓特定波長雷射通過，光反射器405、413、416、418、419與421能將入射光反射至特定方向，光衰減器407、411、415與420能將入射光之能量降低。

其中，該基頻雷射產生器401產生一基頻雷射，該基頻雷射之波長範圍介於800nm~1400nm間，該基頻雷射之全部或一部分可依據需求藉由能量配比器402、能量配比器408被分配至光反射器419，再經光衰減器420與光反射鏡421而以基頻雷射輸出。而又，該基頻雷射產生器401產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器402與能量配比器408被分配至二倍頻晶體409，並依序通過能量配比器410、光衰減器411、濾光片412、光反射器413、光反射器418、光反射器421而以二倍頻雷射輸出。並且，該基頻雷射產生器401產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器402與能量配比器408分配至二倍頻晶體409，產生二倍頻後之雷射光可依據需求藉由能量配比器410分配至二倍頻晶體414，並依序通過光衰減器415、光反射器416、濾光片417、光反射器 418與光反射器421而以四倍頻雷射輸出。同時，該基頻雷射產生器401產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器402分配至二倍頻晶體403，並依序通過三倍頻晶體404、光反射器405、濾光片406、光衰減器407、光反射器413、光反射器418與光反射器421、而以三倍頻雷射輸出。其中，調整反射器413、416、418或421即可使雷射輸出方向改變，此設計可使多波長光束同軸或不同軸輸出，以因應應用端的不同需求。光衰減器407可控制系統輸出之三倍頻雷射的能量，光衰減器411可控制系統輸出之二倍頻雷射的能量，光衰減器415可控制系統輸出之四倍頻雷射的能量而光衰減器420可控制系統輸出之基頻雷射的能量。因此，選擇正確並適當控制能量配比器402、408與410之能量分配，即可達成任意一波長、二波長、三波長或四波長輸出，不但多波長輸出之功率配比可調，且可對任意一波長、二波長、三波長或四波長之輸出能量做高度的優化。並且，其中二倍頻器403與三倍頻器404兩者之組合可用一三倍頻晶體取代，而達成產生三倍頻雷射之目的。

請參閱第五圖，係本發明之四波長輸出雷射系統之又一實施例示意圖。其四波長輸出雷射系統包含：基頻雷射產生器501、能量配比器502、二倍頻器503、三倍頻器504、光反射器505、光衰減器506、能量配比器507、二倍頻器508、能量配比器509、光衰減器510、光反射器511、二倍頻器512、光衰減器513、光反射器514、光衰減器515、光反射器516、光反射器517與濾光轉輪518。其中，基頻雷射產生器501能產生並輸出基頻雷射，能量配比器502、507與509可以將入射的雷射光分配到兩個光路輸出，同時能控制並調變兩光路的輸出能量，二倍頻器503、508與512較佳是以二倍頻晶體來實現，能將入射的雷射光頻率調變為兩倍輸出，三倍頻器504較佳為一和頻晶體，能將兩個不同頻率的入射雷射光調變為兩個輸入雷射頻率之和的雷射輸出，濾光轉輪518能過濾輸入光線只讓特定波長雷射通過，光反射器505、511、514、516與517能將入射光反射至特定方向，光衰減器506、510、513與515能將入射光之能量降低。

其中，該基頻雷射之波長範圍介於800nm~1400nm間，該基頻雷射產生器501產生一基頻雷射，該基頻雷射之全部或一部分可依據需 求藉由能量配比器502、能量配比器507被分配至光反射器514，再經光衰減器515、光反射鏡516、光反射鏡517與濾光轉輪518而以基頻雷射輸出。而又，該基頻雷射產生器501產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器502與能量配比器507被分配至二倍頻晶體508，並依序通過能量配比器509、光衰減器510、光反射器511、光反射器517與濾光轉輪518而以二倍頻雷射輸出。並且，該基頻雷射產生器501產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器502與能量配比器507分配至二倍頻晶體508，產生二倍頻後之雷射光可依據需求藉由能量配比器509分配至二倍頻晶體512，並依序通過光衰減器513、光反射器516、光反射器517與濾光轉輪518而以四倍頻雷射輸出。同時，該基頻雷射產生器501產生之該基頻雷射之全部或一部分，可依據需求藉由能量配比器502分配至二倍頻晶體503，並依序通過三倍頻晶體504、光反射器505、光衰減器506、光反射器511、光反射器517與濾光轉輪518而以三倍頻雷射輸出。其中，調整反射器511、516或517即可使雷射輸出方向改變，此設計可使多波長光束同軸或不同軸輸出，以因應應用端的不同需求。光衰減器506可控制系統輸出之三倍頻雷射的能量，光衰減器510可控制系統輸出之二倍頻雷射的能量，光衰減器513可控制系統輸出之四倍頻雷射的能量而光衰減器515可控制系統輸出之基頻雷射的能量。因此，選擇正確並適當控制能量配比器502、507與509之能量分配，即可達成任意一波長、二波長、三波長與四波長輸出，不但多波長輸出之功率配比可調，且可對任意一波長、二波長、三波長與四波長之輸出能量做高度的優化。並且，其中二倍頻器503與三倍頻器504兩者之組合可用一三倍頻晶體取代，而達成產生三倍頻雷射之目的。

實施例

1.一種多頻率雷射輸出方法，其包括：提供一雷射光；能量配比該雷射光而得一第一雷射光與一第二雷射光；倍頻該第一雷射光而產生一三倍頻雷射光；能量配比該第二雷射光而得一第三雷射光與一基頻雷射光； 倍頻該第三雷射光而產生一第四雷射光；能量配比該第四雷射光而得一第五雷射光與一二倍頻雷射光；倍頻該第五雷射光而產生一四倍頻雷射光。

2.一種多頻率雷射輸出系統，其包括：一光源，產生一雷射；一第一倍頻裝置；一第二倍頻裝置；一能量配比裝置，將該雷射分配至該第一倍頻裝置而產生一第一頻率雷射，以及將該雷射分配至該第二倍頻裝置而產生一第二頻率雷射。

3.如實施例2所述的多頻率雷射輸出系統，其中該能量配比裝置更調變該雷射之能量，該雷射之波長範圍介於800nm~1400nm間，該第一倍頻裝置將該雷射之頻率調變成三倍，該第二倍頻裝置將該雷射之頻率調變成兩倍。

4.如實施例3所述的多頻率雷射輸出系統，其中該第一倍頻裝置包括：一二倍頻裝置；以及一和頻裝置，與該二倍頻裝置直接串連。

5.如實施例3所述的多頻率雷射輸出系統，其中該第一倍頻裝置是一三倍頻裝置。

6.如實施例2所述的多頻率雷射輸出系統更包括一濾光裝置，用以濾得該第一頻率雷射或該該第二頻率雷射，其中該濾光裝置包括一第一濾光片與一第二濾光片，其中該第一濾光片用以濾得該第一頻率雷射，該第二濾光片用以濾得該第二頻率雷射。

7.如實施例2所述的多頻率輸出雷射系統，其中該雷射通過該第二倍頻裝置之後，更通過一二倍頻裝置而產生一四倍頻雷射。

8.如實施例2所述的多頻率輸出雷射系統更包括一光反射裝置，接收該第一頻率雷射或該第二頻率雷射，用以調整該第一頻率雷射或該第二頻率雷射之方向，使該第一頻率雷射或該第二頻率雷射光束同軸或不同軸輸出。

9.一種多頻率雷射輸出方法，其包括：提供一雷射光；能量配比該雷射光而分別沿一第一光路徑及一第二光路徑得一第一雷射光與一第二雷射光； 倍頻該第一雷射光而產生一第一頻率雷射；倍頻該第二雷射光而產生一第二頻率雷射，其中各該光路徑俱未重疊並包含一頻率轉換元件，且該第一雷射光與該第二雷射光其中之一為一三倍頻雷射光。

10.如實施例9所述的方法，其中在該三倍頻雷射光之光路徑上包括一二倍頻晶體及一三倍頻晶體，其中該二倍頻晶體直接光連接於該三倍頻晶體。

在本發明實現之一、二、三與四倍頻雷射架構中，選擇正確並適當控制能量配比器之能量分配，即可達成任意一波長、二波長、三波長或四波長雷射輸出，不但多波長輸出之功率配比可調，且可對任意一波長、二波長、三波長或四波長之輸出能量做高度的優化。經由以上說明與實施例可知，本發明波長可選擇及功率配比可調之多波長雷射微加工裝置設計，可依不同微機械加工子系統所須而選擇合適之波長或波長組合及功率配比的雷射，改善現有雷射微加工裝置僅能輸出單一波長的雷射或輸出能量不完全優化之二波長與三波長輸出雷射的缺點，使該雷射微加工裝置具有廣泛的適用範圍，而提昇其實用性，有效解決多波長雷射輸出頻率優化的的問題以及經濟效益低之缺點。

根據以上所述，本案實為一兼具產業利用性、新穎性並在工業技術發展上極具價值的發明。惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。極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 貴審查員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

301‧‧‧基頻雷射產生器

302‧‧‧能量配比器

303‧‧‧二倍頻器

304‧‧‧三倍頻器

305‧‧‧濾光片

306‧‧‧能量配比器

307‧‧‧二倍頻器

308‧‧‧能量配比器

309‧‧‧濾光片

310‧‧‧二倍頻器

311‧‧‧光反射器

312‧‧‧濾光片

313‧‧‧光反射器

314‧‧‧濾光片

Claims (9)

1. 一種多頻率雷射輸出方法，其包括：提供一雷射光；能量配比該雷射光而得一第一雷射光與一第二雷射光；倍頻該第一雷射光而產生一三倍頻雷射光；能量配比該第二雷射光而得一第三雷射光與一基頻雷射光；倍頻該第三雷射光而產生一第四雷射光；能量配比該第四雷射光而得一第五雷射光與一二倍頻雷射光；倍頻該第五雷射光而產生一四倍頻雷射光。
2. 一種多頻率雷射輸出系統，其包括：一光源，產生一雷射；一第一倍頻裝置；一第二倍頻裝置；一能量配比裝置，將該雷射分配至該第一倍頻裝置而產生一第一頻率雷射，以及將該雷射分配至該第二倍頻裝置而產生一第二頻率雷射，其中該第一倍頻裝置將該雷射之頻率調變成三倍、該第二倍頻裝置將該雷射之頻率調變成兩倍，以及該雷射通過該第二倍頻裝置之後，更通過一二倍頻裝置而產生一四倍頻雷射。
3. 如申請專利範圍第2項所述的多頻率雷射輸出系統，其中該能量配比裝置更調變該雷射之能量，該雷射之波長範圍介於800nm~1400nm間。
4. 如申請專利範圍第3項所述的多頻率雷射輸出系統，其中該第一倍頻裝置包括：一二倍頻裝置；以及一和頻裝置，與該二倍頻裝置直接串連。
5. 如申請專利範圍第3項所述的多頻率雷射輸出系統，其中該第一倍頻裝置是一三倍頻裝置。
6. 如申請專利範圍第2項所述的多頻率雷射輸出系統更包括一濾光裝置，用以濾得該第一頻率雷射或該該第二頻率雷射，其中該濾光裝置包括一第一濾光片與一第二濾光片，其中該第一濾光片用以濾得該第一頻率雷射，該第二濾光片用以濾得該第二頻率雷射。
7. 如申請專利範圍第2項所述的多頻率輸出雷射系統更包括一光反射裝置，接收該第一頻率雷射或該第二頻率雷射，用以調整該第一頻率雷射或該第二頻率雷射之方向，使該第一頻率雷射或該第二頻率雷射光束同軸或不同軸輸出。
8. 一種多頻率雷射輸出方法，其包括：提供一雷射光；能量配比該雷射光而分別沿一第一光路徑、一第二光路徑、一第三光路徑及一第四光路徑得一第一雷射光、一第二雷射光、一第三雷射光及一第四雷射光；倍頻該第一雷射光而產生一三倍頻雷射光；倍頻該第二雷射光而產生一二倍頻雷射光；倍頻該第三雷射光而產生一四倍頻雷射光，其中各該光路徑俱未重疊並包含一頻率轉換元件。
9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中在該三倍頻雷射光之光路徑上包括一二倍頻晶體及一三倍頻晶體，其中該二倍頻晶體直接光連接於該三倍頻晶體。