TWI583085B - All-fiber laser output device - Google Patents

Description

全光纖式雷射輸出裝置

本發明係提供一種全光纖式雷射輸出裝置，尤指可在雷射光輸出時間進行調整脈衝寬度、脈衝延遲及同步控制等之雷射輸出裝置，透過直接電路雙脈衝訊號驅動、搭載微控制器同步調整控制概念，進而可調變脈衝強度，並在控制上可即時程式化排程之功能，達到提高全光纖雷射應用領域廣泛之目的。

按，隨著高科技時代來臨，產業製造生產的加工技術亦不斷提升，傳統機械式加工製程，只能針對加工物件的外表進行加工，但對於加工物件之加工處理、雕刻或切割等作業即無法完成，此外如高科技之半導體產品之晶片、零組件、薄板件鑽孔、切割等，亦無法進行相關加工處理；因此，雷射加工的製程被研發問世，製程應用相當廣泛，舉凡醫療、高精密工業、激發探測、光譜學分析或電漿動力學等領域，都可以透過雷射進行加工製程處理，傳統雷射加工免不了鏡片的機械夾持、高精度平移台等，透過光學式雷射進行單一脈衝光之雷射加工處理作業，因為光纖雷射具有構造緊密、高效能以及能夠產生高輻射品質之雷射光束等優點，故而光纖雷射被應用於以雷射束進行材料加工的製程，已日益普及，光纖雷射因為具有非常好的穩定性、體積小、易於攜帶與易於架設等優點，故 在於光通訊、光譜測量及光學分析之應用佔有一席之地，且具有非常高的斜效率(Slope Efficiency)與光率輸出，也成為工業上應用廣泛之雷射加工系統；惟，光纖雷射在透過脈衝雷射束將材料熔化的應用上，仍有許多製造技術的問題有待克服，特別是應用在熔化及熔焊無機粉末(例如金屬或陶瓷粉末等)或有機粉末時，經常會有產生收縮孔或出現密度較小的區域之問題；而應用於焊接時也可能會出現焊縫不均勻的問題；亦或應用於點焊加工時，可能出現焊接品質變差等問題，透過單一脈衝讓加工光熱破壞加工物件的質地，但於加工時會有小碎渣(Debris)產生反向壓力，影響加工物件的品質變差，諸如此類在加工製程上所衍生的問題。

則為了改善單一脈衝光加工製程的缺失，便有業者研發出利用雙脈衝光加工方式，在一道雷射光束加工光熱破壞加工物件質地後，產生小碎渣，即輔助一道可蒸發汽化小碎渣的雷射光，藉以提升雷射加工的品質；然，傳統應用於光學式雷射加工，進行調變雙脈衝光延遲之方法，則是使用極精準光分光結合方式，再調整延遲雷射脈衝光線(Delay Line)用以控制光學式雷射加工之脈衝光的延遲，二道雷射光束在空間傳播長度不同造成作用雷射時間延長、精準度不穩定、光譜因穿透式鏡片作用而不一致等諸多缺失，在雙脈衝光束的輸出時間上，無法達到同步調整控制之概念，影響雙脈衝光束延遲的時間不易控制，且對於脈衝寬度、脈衝功率等調變品質亦不甚理想，於實際應用實施時，仍存在些許缺失有待改善。

是以，如何解決目前雙脈衝雷射光束的輸出時間延遲、脈 衝寬度、同步控制等不易之問題與困擾，且雷射光的脈衝功率調變品質不盡理想等之缺失與不便，即為從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，發明人有鑑於上述之問題與缺失，乃搜集相關資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種可利用控制模組採用二控制器進行操控二驅動單元，藉由各驅動單元進行雷射光束之調製、延遲控制等，經放大器放大功率後，再由投射單元向外投射不同時序間隔之雙脈衝光束，而直接進行光纖雷射雙脈衝延遲調制、同步控制之全光纖式雷射輸出裝置的發明專利誕生者。

本發明之主要目的乃在於該雷射輸出裝置之控制模組係包括二控制器，可分別輸出不同之控制訊號，二控制器再連設有輸出不同時序脈衝訊號之二驅動單元，且透過各驅動單元電性連接於調製單元，藉由調製單元進行各驅動單元的不同時序脈衝訊號調製，調製單元並電性連設有放大器可將調製後不同時序脈衝訊號進行功率放大，並利用放大器電性連接於投射單元，投射單元接收放大器傳送的不同時序脈衝訊號後，即透過雷射種子光源向外輸出不同時序間隔之雙脈衝光源，達到雷射光源輸出時間可進行調整脈衝寬度、脈衝延遲及同步控制之目的。

本發明之次要目的乃在於該控制模組係包括預設電路佈局之電路板、電性連接於電路板之第一控制器、第二控制器及第一、第二驅動單元，第一控制器、第二控制器係分別輸出不同時序調變之脈衝訊號至 第一、第二驅動單元，以供各驅動單元依不同時序調變脈衝訊號傳送不同驅動訊號至調製單元，供調製單元將調製後將不同時序脈衝訊號傳送至放大器後再透過雷射種子光源發射不同時序脈衝訊號之雷射光源，第一控制器及第二控制器再電性連接有調整雷射脈衝時序之時序參數調整器，且時序參數調整器電性連接有量測光學訊號之示波器，而示波器係電性連接有接收雷射光源後進行轉換成光學訊號之光電轉換器，時序參數調整器進行調整之時序參數，係脈衝之衝程大小調變或脈衝發射時間之間隔調變；透過電路板之第一、第二控制器操控第一、第二驅動單元，由各驅動單元產生二種不同延遲時序的脈衝訊號輸出至調製單元，而能準確控制發射單元之雷射種子光源達到延遲雷射光投射出光之目的。

1‧‧‧控制模組

11‧‧‧電路板

12‧‧‧第一控制器

13‧‧‧第二控制器

14‧‧‧第一驅動單元

15‧‧‧第二驅動單元

16‧‧‧時序參數調整器

17‧‧‧示波器

18‧‧‧光電轉換器

2‧‧‧調製單元

21‧‧‧放大器

211‧‧‧高增益放大器

212‧‧‧大功率放大器

22‧‧‧第一光隔離器

23‧‧‧第二光隔離器

3‧‧‧投射單元

31‧‧‧雷射種子光源

第一圖 係為本發明之電路簡易方塊圖。

第二圖 係為本發明雙脈衝延遲之時序示意圖。

為達成上述目的與功效，本發明所採用之技術手段及其構造、實施之方法等，茲繪圖就本發明之較佳實施例詳加說明其特徵與功能如下，俾利完全瞭解。

請參閱第一、二圖所示，係為本發明之電路簡易方塊圖、雙脈衝延遲之時序示意圖，由圖中所示可以清楚看出，本發明之全光纖式雷射輸出裝置，係包括有控制模組1、調製單元2及投射單元3，其中：該控制模組1係包括預設電路佈局之電路板11、電性連 接於電路板11之第一控制器12、第二控制器13、第一驅動單元14及第二驅動單元15，可藉由第一控制器12、第二控制器13分別輸出不同時序調變之脈衝訊號至第一驅動單元14、第二驅動單元15，且第一控制器12及第二控制器13再電性連接有時序參數調整器16可供調整雷射脈衝時序，且時序參數調整器16電性連接有示波器17能進行量測光學訊號，而示波器17係電性連接有光電轉換器18。

該調製單元2係電性連接於控制模組1之第一、第二驅動單元14、15，而可將第一、第二驅動單元14、15的不同驅動訊號、進行不同時序脈衝訊號調製，再電性連設有放大器21可將調製後不同時序脈衝訊號進行功率放大。

該投射單元3係電性連接於調製單元2之放大器21係，設有雷射種子光源31可於接收放大器傳送的不同時序脈衝訊號後，透過雷射種子光源31向外輸出不同脈衝延遲時序之雷射脈衝光。

上述本發明之全光纖式雷射輸出裝置，係透過控制模組1之電路板11的第一、第二控制器12、13直接驅動第一、第二驅動單元14、15延遲產生脈衝，並藉由全光纖式雷射裝置在內部形成全反射傳輸之功效，具有更好的光學結合同軸度，並構成更小體積外觀、且易於攜帶、方便應用，即可透過第一、第二控制器12、13操控第一、第二驅動單元14、15分別產生二種不同延遲時序的脈衝訊號輸出至調制單元2，以供雷射種子光源31二極體產生不同時序的脈衝光(請參閱如第二圖所示)，且脈衝光經過不可逆被動保護光學元件的第一光隔離器22(可單向投射不可逆向反射、可防止脈衝光倒灌回打損壞雷射本體)，以 供脈衝光再進入由增益光纖所組成的高增益(high gain)放大器211，並再經過第二光隔離器23後，進入大功率(high power)放大器212後透過投射單元3向外投射雷射脈衝光，而由雷射種子光源31至增益放大器、大功率放大器212至投射單元3，整段雷射光源輸出通道全部透過光纖熔接結合，可以達到良好的結合同軸度，且光纖雷射在纖心進行雙脈衝光之全反射傳輸，苦供輸出的雙脈衝光特性一致、且空間模態與光譜較為一致、雙脈衝光的投射更為精準、穩定。

而上述之控制模組1，係可透過電路板11直接以電路程式控制第一控制器12、第二控制器13係分別輸出不同時序調變之脈衝訊號至第一、第二驅動單元14、15，以供各驅動單元14、15依不同時序調變脈衝訊號傳送不同驅動訊號至調製單元2，供調製單元2將調製後將不同時序脈衝訊號傳送至放大器21後，再透過雷射種子光源31發射不同時序脈衝訊號之雷射光源，第一控制器12及第二控制器13再電性連接有調整雷射脈衝時序之時序參數調整器16，且時序參數調整器16電性連接有量測光學訊號之示波器17，而示波器17係電性連接有接收雷射光源後進行轉換成光學訊號之光電轉換器18，時序參數調整器16進行調整之時序參數，係脈衝之衝程大小調變或脈衝發射時間之間隔調變；透過電路板11之第一、第二控制器12、13操控第一、第二驅動單元14、15，由各驅動單元14、15產生二種不同延遲時序的脈衝訊號輸出至調製單元2，而能準確控制發射單元3之雷射種子光源31達到延遲雷射光投射出光之目的。

再者，本發明之全光纖式雷射輸出裝置，利用控制模組1 之電路板11、第一控制器12及第二控制器13等，以電路訊號控制雙脈衝分別驅動第一驅動單元14、第二驅動單元15，分別驅動雷射種子光源31產生雷射脈衝延遲之技術，則於進行雷射加工(如工業、醫療、激發探測、光譜學分析或電漿動力學等)時，可進行最佳化雷射加工回饋機制，則於每一次進行雷射加工作業時，利用第二發脈衝探測光經由收光機制成像加工區的圖案，進而得知雷射加工的品質，並能修正下一次發射雷射脈衝光的能量多寡，利用電控程式化簡易設定、透過電路直接驅動，不必大幅移動光學平台，即可達到加工品質最佳化之目的。

是以，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此侷限本發明之專利範圍，本發明全光纖式雷射輸出裝置，該控制模組1於電路板11上設有第一、第二控制器12、13，可分別傳輸不同時序控制訊號至第一、第二驅動單元14、15，再由第一、第二驅動單元14、15傳輸不同脈衝驅動序號制調製單元2，由調製單元2進行調製後驅動雷射種子光源31產生二種不同脈衝時序延遲之脈衝光源、經由第一光隔離器22、高增益放大器211、第二光隔離器23、大功率放大器212的全光纖脈衝光傳輸，再由投射單元3向外投射輸出二種不同延遲時序之脈衝光，俾可達到精準操控脈衝光延遲輸出之目的，以供雷射加工具有最佳化，且輸出的雙脈衝光特性一致、空間模態與光譜等亦較為一致之效果，故舉凡可達成前述效果之結構、裝置皆應受本發明所涵蓋，此種簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

故，本發明為主要針對全光纖式雷射輸出裝置進行設計，係利用控制模組之電路板以第一、第二控制器分別操控第一、第二驅動單 元，以供第一、第二驅動元傳輸不同延遲時序脈衝訊號至調製單元，由調製單元進行不同時序脈衝光之調製，並由雷射種子光源頭射不同延遲時序之脈衝光、分別經由第一光隔離器、高增益放大器、第二光隔離器、大功率放大器後，再由投射單原向外投射輸出不同延遲時序之脈衝光，而可達到精準控制不同時序脈衝光延遲輸出為主要保護重點，且透過全光纖式熔接成型雷射光傳輸通道，乃僅使雷射脈衝光在纖心進行全反射傳輸之優勢，並使輸出脈衝特性一致、空間模態與光譜亦為一致之功能，惟，以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，非因此即侷限本發明之專利範圍，故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之簡易修飾及等效結構變化，均應同理包含於本發明之專利範圍內，合予陳明。

綜上所述，本發明上述全光纖式雷射輸出裝置於實際應用、實施時，為確實能達到其功效及目的，故本發明誠為一實用性優異之研發，為符合發明專利之申請要件，爰依法提出申請，盼 審委早日賜准本案，以保障發明人之辛苦研發、創設，倘若 鈞局審委有任何稽疑，請不吝來函指示，發明人定當竭力配合，實感德便。

1‧‧‧控制模組

11‧‧‧電路板

12‧‧‧第一控制器

13‧‧‧第二控制器

14‧‧‧第一驅動單元

15‧‧‧第二驅動單元

16‧‧‧時序參數調整器

17‧‧‧示波器

18‧‧‧光電轉換器

2‧‧‧調製單元

21‧‧‧放大器

211‧‧‧高增益放大器

212‧‧‧大功率放大器

22‧‧‧第一光隔離器

23‧‧‧第二光隔離器

3‧‧‧投射單元

31‧‧‧雷射種子光源

Claims (6)

1. 一種全光纖式雷射輸出裝置，係包括控制模組、調製單元及投射單元，其中：該控制模組係包括分別輸出不同控制訊號之二控制器，二控制器連設有輸出不同時序脈衝訊號之驅動單元；該調製單元係電性連接於控制模組之驅動單元，進行驅動單元的不同時序脈衝訊號調製，再電性連設有將調製後不同時序脈衝訊號進行功率放大之放大器；及該投射單元係電性連接於調製單元之放大器，設有接收放大器傳送的不同時序脈衝訊號後向外輸出不同脈衝光源之雷射種子光源。
2. 如申請專利範圍第1項所述全光纖式雷射輸出裝置，其中該控制模組係包括預設電路佈局之電路板、電性連接於電路板之第一控制器、第二控制器及驅動單元，第一控制器、第二控制器係分別輸出不同時序調變之脈衝訊號至第一驅動單元、第二，以供各驅動單元依不同時序調變脈衝訊號、分別傳送不同驅動訊號至調製單元，供調製單元將調製後將不同時序脈衝訊號傳送至放大器後再透過雷射發光源發射不同時序脈衝訊號之雷射光源。
3. 如申請專利範圍第2項所述全光纖式雷射輸出裝置，其中該第一控制器及第二控制器再電性連接有調整雷射脈衝時序之時序參數調整器，且時序參數調整器電性連接有量測光學訊號之示波器，而示波器係電性連接有接收雷射光源後進行轉換成光學訊號之光電轉換器。
4. 如申請專利範圍第3項所述全光纖式雷射輸出裝置，其中該時序參數 調整器進行調整之時序參數，係脈衝之衝程大小調變或脈衝發射時間之間隔調變。
5. 如申請專利範圍第1項所述全光纖式雷射輸出裝置，其中該調製單元及放大器之間、放大器與投射單元間分別電性連設有供雷射光源單向通行不可逆向投射之光隔離器。
6. 如申請專利範圍第1項所述全光纖式雷射輸出裝置，其中該投射單元之雷射種子光源係透過光纖向外投射雷射脈衝光。