TWI644491B - 光纖雷射系統以及脈衝雷射光產生方法 - Google Patents

光纖雷射系統以及脈衝雷射光產生方法 Download PDF

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Abstract

一種光纖雷射系統，包括光纖雷射單元、雷射光偵測裝置、控制裝置。光纖雷射單元輸出一雷射光，包含似噪音脈衝雷射光、鎖模脈衝雷射光或是連續波雷射光。雷射光偵測裝置為一透鏡及一光二極體，該光二極體吸收該光纖雷射單元輸出的該雷射光，產生對應於雙光子吸收效應的輸出信號。控制裝置讀取該光二極體的輸出信號，並依照預設值自動調整該光纖雷射單元以得到該雷射光是該似噪音脈衝雷射光或是該鎖模脈衝雷射光。

Description

光纖雷射系統以及脈衝雷射光產生方法
本發明是有關於一種光纖雷射，且特別是有關於一種光纖雷射系統以及脈衝雷射光產生方法，可以自動輸出所選擇的脈衝雷射光。
超快雷射光源在產業、學術研究及醫療應用上的重要性與日俱增，因此使用者對於穩定可靠的脈衝雷射光源的需求也日益增長。
光纖雷射有體積小、重量輕、散熱好、光束品質佳、能源轉換效率高等優點，因此光纖雷射作為皮秒級及飛秒級的脈衝光源逐漸得到重視。
光纖雷射在操作上可以產生包括鎖模脈衝(mode-lock pulse)與似噪音脈衝(noise-like pulse)的模式。其中似噪音脈衝已被證實在光學同調斷層掃描(optical coherence tomography, OCT)及雷射誘導擊穿光譜(Laser-induced breakdown spectroscopy, LIBS)中，皆有不錯的表現。
傳統方式需用人工調整雷射共振腔內之偏振控制元件的方式，將光纖雷射從連續波輸出切換至脈衝輸出，此種方式較為費時且並較難及時定位於獲得所需脈衝雷射光之偏振調控位置。
現有的自動控制方式為了能在光纖雷射中獲得似噪音脈衝或是鎖模脈衝輸出，其需要花費較多時間及經由後端儀器同步監測各參數，如光譜寬度、脈衝序列、自相關干涉圖等等，才能調整與確認出所要的模式。
若能建構一套自動輸出所需脈衝的雷射系統，對於使用者將更添便利性。
本發明是針對光纖雷射單元可以輸出似噪音脈衝(Noise-like pulse)或鎖模脈衝(Mode-locked pulse)兩種具不同特性的脈衝光束。本發明利用雙光子吸收的特性，可以自動簡易選擇似噪音脈衝或鎖模脈衝的輸出。
依照一實施例，本發明提供一種光纖雷射系統，包括光纖雷射單元、雷射光偵測裝置、控制裝置。光纖雷射單元輸出一雷射光，包含似噪音脈衝雷射光、鎖模脈衝雷射光或是連續波雷射光。雷射光偵測裝置為一透鏡及一光二極體，該光二極體吸收該光纖雷射單元輸出的該雷射光，產生對應於雙光子吸收效應的輸出信號。控制裝置讀取該光二極體的輸出信號，並依照預設值自動調整該光纖雷射單元以得到該雷射光是該似噪音脈衝雷射光或是該鎖模脈衝雷射光。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該光二極體的輸出信號是二個確定電壓值對應於不同脈衝之雙光子吸收狀態。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，是利用一設定値來選擇其中一種脈衝雷射光。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該控制裝置是由電腦系統，用以調整該光纖雷射單元中用以改變偏振態的光學元件，而得到所需的脈衝雷射光。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該光纖雷射單元是非線性偏極化旋轉光纖雷射單元或是非線性放大迴圈鏡光纖雷射單元。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該光纖雷射單元是非線性偏極化旋轉光纖雷射單元，包括偏振分光單元，利用該控制裝置調整雷射共振腔內之偏振態，使其得以形成脈衝雷射光輸出。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該偏振分光單元可包括兩種架構：其一，可旋轉的第一四分之一波片、可旋轉的第二四分之一波片、可旋轉的二分之一波片以及偏振分光鏡；其二，可調的第一偏振控制器、可調的第二偏振控制器以及光纖式偏振分光鏡(Fiber-optical polarization beam splitter)或是一極化器(Polarizer)搭配一光纖耦合器(Fiber coupler)。偏振分光鏡、光纖式的偏振分光鏡或是光纖耦合器為雷射輸出端口，將該雷射光引出給該控制裝置，其中該控制裝置自動控制該第一四分之一波片、該第二四分之一波片、該二分之一波片分別的旋轉角度，或是該第一偏振控制器、該第二偏振控制器的。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該第一四分之一波片與該二分之一波片相鄰配置，且分別的旋轉方向是相反。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該光纖雷射單元是環形共振路徑，更包括一光學隔離器，確保共振腔內之雷射光沿同一方向行進、一雷射二極體，發出雷射激發光源以及一摻鐿光纖，接收該雷射光源進行增幅。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該光纖雷射單元是非線性放大迴圈鏡雷射單元，包括偏振分光單元，其中該偏振分光單元包括:偏振控制器，設置在一光纖環形共振路徑上。藉由該控制裝置對該偏振控制器調整，以得到輸出的該脈衝雷射光。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該光纖雷射單元包括一液晶相位延遲器，藉由該控制裝置對該液晶相位延遲器的調整，以得到輸出的該脈衝雷射光。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，該光二極體為GaAsP光二極體。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射系統，更包括聚焦透鏡，將該光纖雷射單元輸出的該雷射光聚焦，而輸入給該光二極體。
依照一實施例，本發明提供一種光纖雷射光產生方法，包括：利用光纖雷射單元，輸出一雷射光，該雷射光包含似噪音脈衝雷射光或是鎖模脈衝雷射光；利用光二極體吸收該雷射光，其中該光二極體對於該似噪音脈衝雷射光與該鎖模脈衝雷射光的雙光子吸收信號是可區分的二個穩定電壓狀態；以及使用控制裝置，讀取該光二極體的輸出信號，依照該二個穩定電壓狀態的選擇，自動調整該光纖雷射單元以得到該雷射光是該似噪音脈衝雷射光或是該鎖模脈衝雷射光。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射光產生方法，其中該二個穩定脈衝狀態，對於該光二極體的輸出信號是二個穩定電壓狀態。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射光產生方法，該二個穩定電壓狀態是利用一閥値來選擇其一。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射光產生方法，該控制裝置是由電腦系統，用以調整該光纖雷射單元中用以改變偏振態的光學元件，而得到輸出的該脈衝雷射光。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射光產生方法，該光纖雷射單元是全正色散光纖雷射單元，包括偏振分光單元，利用該控制裝置調整非線性偏極化旋轉，以改變該雷射光的偏振態。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射光產生方法，該偏振分光單元包括：可旋轉的第一四分之一波片；可旋轉的第二四分之一波片；可旋轉的二分之一波片；以及偏振分光鏡，將該雷射光引出給該控制裝置。其中該控制裝置自動控制該第一四分之一波片、該第二四分之一波片、該二分之一波片分別的旋轉角度。
依照一實施例，對於所述的光纖雷射光產生方法，該光纖雷射單元包括偏振分光單元或是液晶相位延遲器，接受該控制裝置的控制，以得到輸出的該脈衝雷射光。
為讓本發明的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。
本案提出利用光二極體(photodiode)，例如是GaAsP光二極體來確認輸出的模式是“似噪音脈衝(noise-like pulse)”或是“鎖模脈衝(mode-locked pulse)”，其中光纖的偏振態可以自動調整，依照所選擇的輸出模式自動快速達到穩定的輸出。
模式區分的機制是，光二極體對“似噪音脈衝”或是“鎖模脈衝”下的雙光子吸收信號會有兩個態的現象。也就是，在相同的能量狀態下，似噪音脈衝有比鎖模脈衝更高的雙光子吸收信號。
本發明利用自動控制的控制裝置以控制一組四分之一/二分之一/四分之一波片的自動化旋轉，使快速得到光纖雷射穩定的脈衝輸出狀態。對於輸出的雷射光，藉由光二極體偵測雙光子吸收之信號大小，可以容易確定輸出的狀態是屬“似噪音脈衝”或是“鎖模脈衝”。如此可以簡便快速達到“似噪音脈衝”或是“鎖模脈衝”的需求。
就操作效率而言，可以在6分鐘內達到“似噪音脈衝”輸出。就裝置而言，僅需要利用光二極體接收輸出的雷射光，產生雙光子吸收(two-photon absorption, TPA)訊號，在硬體上的設備更加輕便，且成本也低，有利於應用。
也就是，利用雙光子吸收信號作為自動控制之回饋信號，可以使雷射依此信號找到似噪音脈衝或鎖模脈衝輸出，建構出一套智慧型鎖模光纖雷射。
本發明提供多個實施例來說明，但是本發明不限於所舉的一些時例。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例的一種智慧型鎖模光纖雷射，其中相同的原件將以相同的參照符號加以說明。
圖1為本發明一實施例的光纖雷射系統示意圖。本發明的光纖雷射系統1包括光纖雷射單元10、光二極體20以及控制裝置30。光纖雷射單元10包含一偏振分光單元15，利用非線性偏極化旋轉效應，改變光纖雷射10中雷射光的偏振態，可使光纖雷射10產生似噪音脈衝或鎖模脈衝。控制裝置30例是電腦系統。
為了產生能量集中的脈衝雷射，調整雷射共振腔內的偏振態為普遍利用的方法。為改變光的偏振態，一般常見的方法是透過兩個四分之一波片及一個二分之一波片的組合，如此可以將入射光纖內的光偏振態，調整為任意偏振態後在從後端光纖輸出。
使用偏振控制器(Polarization controller, PC)也是常見的改變光偏振態的方法，其例如在圖11所示。當光纖纏繞在三個圓盤上面，根據光纖纏繞的圈數不同，可以等效成為四分之一波片或二分之一波片。透過撥動這三個圓盤可以給光纖施加不同大小的應力，光纖受到應力則會影響在光纖內傳播的光的偏振態。另外，液晶相位延遲器也可以取代使用，不限於特定方式。
另一種可電控的偏振控制器(Electronic polarization controller, EPC)，一樣也是透過給光纖施加應力來達到調整偏振的目的，只是這是透過三個熱電極，利用施加電壓大小的不同來產生熱誘導之應力，並調整偏振態。較詳細的配置方式如後面的圖11所示。
本發明的偏振分光單元15可為任何可調整雷射光偏振狀態的偏振控制器，並不以本說明書提到者為限。
偏振分光單位15可由控制裝置30控制，以調整該偏振分光單位的偏振態，以使光纖雷射10依用途產生所需的似噪音脈衝或鎖模脈衝。
由光纖雷射10所發射出的脈衝光束透過聚焦透鏡40聚焦在光二極體20上。若雷射光脈衝強度夠高，可以不使用此聚焦透鏡40。
控制裝置30讀取光二極體20產生的雙光子吸收信號強度，可以藉此分辨光纖雷射10所發出的脈衝為似噪音脈衝或鎖模脈衝。控制裝置30可輸出回饋訊號至光纖雷射10的偏振分光單位15以改變其偏振態，以使光纖雷射10輸出所需的脈衝模式。
圖2為本發明的另一實施例的示意圖。光纖雷射10為一環狀共振腔的摻鐿光纖雷射結構，具有雷射激發光源11、功率合成單元12、摻鐿光纖13、第一光纖準直單元14、偏振分光單元15、光調變單元16、第二光纖準直單元17、光隔離單元18。
激發光源(pump light source)11可包括一或多個雷射二極體(laser diode)，以發出一雷射光，其波長在鐿離子之吸收譜線內具有高吸收率。
功率合成單位12透過被動光纖F與激發光源及光隔離單元連接，使激發光源所產生的激發光得以傳送至功率合成單位，並與來自光隔離單元18的雷射光合成並輸出至摻鐿光纖。
功率合成單位12將激發光及雷射光輸出至摻鐿光纖13。摻鐿光纖13為雙包層(double cladding layer)結構，且其核芯摻有稀土元素鐿(Yb)，激發光在內包層中全反射傳播，並在經過核芯時由稀土元素離子吸收，，使得雷射光於摻鐿光纖的核芯中13前進時得以獲得能量增益。
摻鐿光纖13將雷射光訊號透過被動光纖F輸出至第一光纖準直單元14。第一光纖準直單元14將的轉變為一準直光並輸入至偏振分光單元15。
偏振分光單元15包含第一四分之一波片151、二分之一波片152、偏振分光鏡153及第二四分之一波片154。於本實施例中，第一四分之一波片151、二分之一波片152及第二四分之一波片154三個波片裝在三個電控旋轉台上，以利我們用控制裝置30分別對三個波片旋轉做自動控制，以得到雷射脈衝的輸出。
例如，四分之一波片151與二分之一波片152是相鄰配置。控制裝置30在一次的調整，對四分之一波片151與二分之一波片152以相反旋轉方向，以一設定角度旋轉。控制裝置30分析光二極體20的雙光子吸收信號。當輸出訊號大於一閥値時，就可以確定是似噪音脈衝的輸出模式，否則為鎖模脈衝的輸出模式。另外，四分之一波片154也可以整體性的調整。後面會有較詳細的描述。
另外，用來區分似噪音脈衝與鎖模脈衝的閥値，可以依依照操作功率的變化而變化。因此，可以預先製作成操作表的資料，由控制裝置30自動設定。
由第一光纖準直單元14所產生的準直光依序通過第一四分之一波片151、二分之一波片152後射入偏振分光鏡153。偏振分光鏡153將平行光輸出至光調變單元16。
光調變單元16包含光柵對161例如是由二個光柵161a、161b所構成，光圈162、第一反射鏡163及第二反射鏡164，其中光圈162具有一孔徑。由偏振分光鏡153輸入之平行光，通過光柵對161後，穿過光圈162的孔徑並射入第一反射鏡163以形成一反射光。該反射光再次穿過光圈162的孔徑，通過光柵對161後射向第二反射鏡164，以耦合入環形共振路徑。
由第二反射鏡164輸出的雷射光穿過偏振分光單元15的第二四分之一波片154，由第二光纖準直單元17準直後，輸出至光隔離單元18，再耦合至功率合成單位12以完成一環狀共振腔。
光纖雷射10所產生的雷射光訊號由偏振分光鏡153輸出，透過聚焦透鏡40聚焦在光二極體20上，並由控制裝置30讀取光二極體的雙光子吸收訊號強度。
不同的半導體材料具有不同的能帶(bandgap)寬度。若半導體材料的能帶大小大於一顆光子所擁有的能量，即能產生雙光子吸收效應，也就是吸收兩個光子後使電子由基態躍遷至激發態。對於不同波長的雷射系統，可以選用具有適當能帶寬度的半導體材料所製成的光二極體以產生雙光子吸收效應。
雙光子吸收是一種非線性效應，其信號與光強度的平方成正比。由於脈衝的能量較連續波集中，使得脈衝會有很高的尖峰強度。因此，脈衝會產生雙光子吸收現象而連續波則不會產生雙光子吸收。
本實施例中的雷射系統所產生的脈衝波長例如約為1064奈米，相當於一個光子的能量約為1.24電子伏特。因此本實施例選用以GaAsP為材料的雙光子光二極體。由於GaAsP的能帶約為1.8電子伏特，電子一定要一次吸收兩個光子的能量才有辦法激發到受激態，因此才能夠產生光電流或光電壓的輸出，而此電壓即為雙光子吸收的信號。
對於不同波長的雷射系統，可以選用適當半導體材料所製成的光二極體來產生雙光子吸收信號。本雷射系統及光二極體的選用並不限定於此。
本實施例的光纖雷射系統10可以產生似噪音脈衝或一般常見的鎖模脈衝。圖3為本實施例中，光纖雷射10所產生的似噪音脈衝的自相關干涉曲線。可以看到在延遲時間接近0時有個明顯的尖峰。此尖峰代表似噪音脈衝有很高的光強度。在似噪音脈衝的情形下，通常可以得到約7ps的脈衝寬度。
圖4為本實施例中，光纖雷射10所產生的鎖模脈衝的自相關干涉曲線。相較於圖3似噪音脈衝的自相關干涉曲線，在延遲時間接近0的時候並沒有出現異常凸起的尖峰。其脈衝寬度約為4ps。
由於似噪音脈衝與鎖模脈衝對雙光子光二極體有不同的吸收強度，因此可藉由吸收強度的不同來區分這兩種不同的脈衝模式。圖5為平均功率對雙光子吸收信號的曲線。在相同的平均功率下，似噪音脈衝或是鎖模脈衝都具有相同的能量。在相同的能量狀態下，似噪音脈衝可以產生比鎖模脈衝更高的雙光子吸收信號。似噪音脈衝是由方形點所標示，鎖模脈衝是由圓點所標示。另外由三角形點所標示的是多重鎖模脈衝。多重鎖模脈衝也是在旋轉波片時可能出現的一種脈衝，但是應用性較低。
圖6為以對數座標繪製的雙光子吸收曲線。該雙光子吸收曲線的斜率(slope)等於2，代表所測得的信號的確是由雙光子吸收效應所產生。
本發明也可以簡易切換光纖系統的脈衝，利用閥値區分其脈衝模式。在調整共振腔內的偏振態得到脈衝輸出時，可以利用機械控制得到穩定的輸出態，再利用光二極體的雙光子吸收訊號快速分析確定脈衝形式為似噪音脈衝或是鎖模脈衝。
在本實施例中，旋轉共振腔內的三個波片個別安裝在電控旋轉台上，並透過電腦程式控制使其旋轉。當旋轉波片使雷射有脈衝輸出時，雙光子光二極體即產生對應強度的雙光子吸收訊號。電腦程式依此訊號辨別此脈衝的脈衝形式，並命令電控旋轉台停止動作。
具體尋找脈衝的方法如下：（一）首先使偏振分光鏡153前的第一四分之一波片151及二分之一波片152以相反方向旋轉，以每步2度的距離旋轉90度後，使偏振分光鏡153後的第二四分之一波片154旋轉2度，再回去旋轉偏振分光鏡153前的第一四分之一波片151及二分之一波片152。此處每步移動的度數及旋轉方向可調；（二）波片旋轉的同時，控制裝置30不斷讀取雙光子吸收的電壓訊號，當電壓值高於所設定的目標值，或是介於所設定的電壓範圍，及命令波片馬上停止旋轉，亦即找到脈衝訊號；（三）若波片停止旋轉後，電壓不穩定或是脈衝突然消失(電壓降至0)，則回到第一步重新尋找脈衝。
控制裝置30所得到的雙光子吸收訊號可用來判斷光纖雷射10所輸出的脈衝品質。圖7為雙光子信號大小對於脈衝品質的影響。左圖顯示，當波片找到脈衝並停止旋轉，此時測到的雙光子吸收的信號強度不一，分佈在0.8-1.7V的範圍。當吸收電壓值小時，脈衝寬度較寬且整體較為震盪，代表此脈衝的品質較差。右圖為利用光譜分析儀所測量得到的光譜，三者幾無差異。因此顯示使用光譜分析儀來測量光譜作為反饋信號，其效果不佳。而本發明進一步提出偵測訊號的電壓値來判斷。
圖8為本發明一實施例中，穩定態時的雙光子吸收訊號。本實施例在程式執行時，隨著時間量測到的雙光子吸收電壓訊號相對於時間的變化程度。當開始有脈衝輸出時，其輸出的電壓的上下擺幅例如是在1%已內，則可以判斷脈衝輸出已達到穩定的狀態，其依照電壓閥值的比較，更可以確認是屬於似噪音脈衝雷射光或是鎖模脈衝雷射光的模態。
從觀察到的訊號電壓値的品質，也可以判定脈衝的品質是處於較不穩定的狀態。圖9為本發明一實施例中，非穩定態時的雙光子吸收訊號。量測到的電壓值十分不穩定，訊號的擺動幅度例如大約在5.5%，比圖8的1%大，於是量測出的自相關圖形也顯示十分震盪，代表此狀態的脈衝品質不佳。以上如何判斷脈衝品質的程度的機制僅是實施例。本發明不限於特定的判斷方式。
圖10為一實施例進行連續測量的結果。當雙光子吸收信號越大且越穩定時，雷射會有較好品質的似噪音脈衝輸出。因此可以將程式的目標電壓值提高，並且依據波片停止旋轉後的電壓穩定度作為判斷。本實施例中，程式進行九次量測，每次都先把三個波片設定至隨機的三個角度。這九次都得到了脈衝品質相當好的似噪音脈衝輸出，且脈衝波型十分接近，脈衝寬度皆約為7ps。 右圖為左圖的尖峰的放大圖，寬度約為250fs。因此，本發明所提出的監測光二極體的雙光子吸收訊號的輸出電壓，是可判斷脈衝的品質，且可以藉由與所設定電壓閥值的比較，以確定所輸出的脈衝是似噪音脈衝或是鎖模脈衝。高於電壓閥值可以判定輸出脈衝是似噪音脈衝，低於電壓閥值可以判定輸出脈衝是鎖模脈衝。
本發明是利用光二極體的吸收訊號作為回饋控制(feedback control)的回饋信號(feedback signal)，用來判斷輸出脈衝的品質與模式。本發明可以應用到可以產生似噪音脈衝或是鎖模脈衝的光纖雷射，不限定於特定的光纖雷射。
一般可知，利用調整雷射腔內偏振態得到脈衝輸出之雷射架構有許多種，例如：利用非線性放大迴圈鏡(Nonlinear amplifying loop mirror，簡稱NALM)之8字型(Figure-8)光纖雷射及利用非線性偏極化旋轉效應(Nonlinear polarization rotation，簡稱NPR)之全正色散光纖雷射等等(All Normal Dispersion Fiber Laser，簡稱ANDiFL)，其共振腔內負責調控偏振態的元件也有許多種，例如：偏振控制器(Polarization controller)或是液晶相位延遲器(Liquid crystal phase-retarder)等等。只要是利用調整腔內偏振態效應產生脈衝之雷射共振腔架構，配合可電控之偏振態選擇元件，即能搭配此專利中利用雙光子吸收信號大小作為回饋信號的方法，建構出一套智慧型鎖模光纖雷射。關於脈衝光纖雷射的分類例如表一所示，然而本發明的應用不限於所舉的脈衝光纖雷射。 表一
以下分別舉不同的脈衝光纖雷射係統的實施例。圖11為本發明一實施例的全光纖雷射系統示意圖。 參閱圖11，一種全光纖雷射系統200的實施例包括光纖202。光纖202還會包含一段增益光纖204。在光纖202接收激發光源206後在光纖上循環，而在增益光纖(gain fiber)204產生增益。在光纖202上還設置光隔離器208、功率合成單元210、二個偏振控制器212、214、光纖式偏振分光鏡216。光纖式偏振分光鏡216也提供雷射輸出。二個偏振控制器212，214是由圖1的控制裝置30所控制，調整偏振態。
圖12為本發明一實施例的全正色散光纖雷射系統示意圖。參閱圖12，於本實施例，全正色散光纖雷射系統300包括光纖302。在光纖302接收激發光源308後在光纖上循環，而在增益光纖304產生增益。在光纖302上還設置功率合成單元306、二個光纖準直單元310a、四分之一波片312、四分之一波片316、二分之一波片314、分光鏡320、光隔離器318。功率合成單元306也提供雷射輸出。四分之一波片312、四分之一波片316及二分之一波片314是由圖1的控制裝置30所控制，調整偏振態。
圖13 為本發明一實施例的非全光纖雷射系統，使用液晶作為偏振控制元件的示意圖。參閱圖13，於本實施例，非全光纖雷射系統400包括光纖402。在光纖402經由功率合成單元408接收激發光源406後在光纖上循環，而在增益光纖404產生增益。在光纖402上還設置液晶偏振控制元件410、光隔離器412。光纖式偏振分光鏡414也提供雷射輸出。液晶偏振控制元件410是由圖1的控制裝置30所控制，調整偏振態。
圖14 為本發明一實施例的8字型光纖雷射系統示意圖。參閱圖14，於本實施例，8字型光纖雷射系統500包括兩段光纖504、514由光纖耦合器512連接成為8字型。光纖耦合器512例如是50/50的耦合關係。光纖504所構成的是非線性放大迴圈鏡(NALM)502，藉由功率合成單元514接收激發光源510後在光纖上循環，而在增益光纖506產生增益。在光纖502上還設置單一組的偏振控制單元508。偏振控制單元508是由圖1的控制裝置30所控制，調整偏振態。另外，在光纖514上也設置有光隔離器516與光纖耦合器518。光纖耦合器518也提供雷射輸出。
圖15 為本發明一實施例的全正色散光纖雷射系統，使用單一偏振控制器的示意圖。參閱圖15，於本實施例，全正色散光纖雷射系統600包括兩段光纖602由功率合成單元614接收激發光源606後在光纖上循環，而在增益光纖604產生增益。在光纖606上還設置單一組的偏振控制單元616、極化器(Inline Polarizer)610、光纖耦合器612以及光隔離器608。偏振控制單元616是由圖1的控制裝置30所控制，調整偏振態。極化器610 與光纖耦合器612取代光纖式偏振分光鏡，也提供雷射輸出。
要注意，本發明可以適用的雷射光纖系統不限於所舉的一些實施例。就一般性而言，本發明至少可以適用(suitable for use)於使用非線性偏極化旋轉或是非線性放大迴圈鏡(NALM)來產生脈衝輸出的雷射系統設計。如此，依本發明中的方法機制建構成一套智慧型鎖模光纖雷射。而其中使用的偏振控制元件，不限於波片、液晶或是偏振控制器，只要是可電控調整的皆可使用。
綜上所述，本發明利用光二極體的雙光子吸收信號強度快速分辨光纖雷射系統輸出的脈衝訊號模式為似噪音脈衝或是鎖模脈衝。同時並以光二極體作為光纖雷射系統的回饋訊號，以快速鎖定似噪音脈衝或是鎖模脈衝。本系統具有硬體設備簡易，降低成本，易於應用的特性。
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，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧智慧型鎖模光纖雷射
10‧‧‧光纖雷射
11‧‧‧雷射激發光源
12‧‧‧功率合成單元
13‧‧‧摻鐿光纖
14‧‧‧第一光纖準直單元
15‧‧‧偏振分光單元
16‧‧‧光調變單元
17‧‧‧第二光纖準直單元
18‧‧‧光隔離單元
19‧‧‧被動光纖
20‧‧‧光二極體
30‧‧‧控制裝置
40‧‧‧透鏡
151‧‧‧二分之一波片
152‧‧‧第一四分之一波片
153‧‧‧偏振分光鏡
154‧‧‧第二四分之一波片
155、156‧‧‧偏振控制器
161‧‧‧光柵對
161a、161b‧‧‧光柵
162‧‧‧光圈
163‧‧‧第一反射鏡
164‧‧‧第二反射鏡
200‧‧‧全光纖雷射系統
202‧‧‧光纖
204‧‧‧增益光纖
206‧‧‧激發光源
208‧‧‧光隔離器
210‧‧‧功率合成單元
212、214‧‧‧偏振控制器
216‧‧‧光纖式偏振分光鏡
300‧‧‧全正色散光纖雷射系統
302‧‧‧光纖
304‧‧‧增益光纖
306‧‧‧功率合成單元
308‧‧‧激發光源
310a、310b‧‧‧光纖準直單元
312、316‧‧‧四分之一波片
314‧‧‧二分之一波片
318‧‧‧光隔離器
320‧‧‧分光鏡
400‧‧‧非全光纖雷射系統
402‧‧‧光纖
404‧‧‧增益光纖
406‧‧‧激發光源
408‧‧‧功率合成單元
410‧‧‧液晶偏振控制元件
412‧‧‧光隔離器
414‧‧‧光纖式偏振分光鏡
500‧‧‧8字型光纖雷射系統
502‧‧‧非線性放大迴圈鏡
504、514‧‧‧光纖
506‧‧‧增益光纖
508‧‧‧偏振控制單元
510‧‧‧激發光源
512‧‧‧光纖耦合器
516‧‧‧光隔離器
518‧‧‧光纖耦合器
600‧‧‧全正色散光纖雷射系統
602‧‧‧光纖
604‧‧‧增益光纖
606‧‧‧激發光源
608‧‧‧光隔離器
610‧‧‧極化器
612‧‧‧光纖耦合器
614‧‧‧功率合成單元
616‧‧‧偏振控制單元
圖1為本發明一實施例的光纖雷射系統示意圖。 圖2為本發明一實施例的光纖雷射系統示意圖。 圖3為本發明一實施例的似噪音脈衝自相關干涉曲線。 圖4為本發明一實施例的鎖模脈衝自相關干涉曲線。 圖5為本發明一實施例的雙光子吸收訊號曲線(線性座標)。 圖6為本發明一實施例的雙光子吸收訊號曲線(對數座標)。 圖7為本發明一實施例中，雙光子信號大小對於脈衝品質的影響。 圖8為本發明一實施例中，穩定態時的雙光子吸收訊號。 圖9為本發明一實施例中，非穩定態時的雙光子吸收訊號。 圖10為本發明一實施例中，多次似噪音脈衝自相關干涉曲線量測訊號。 圖11為本發明一實施例的全光纖雷射系統示意圖。 圖12為本發明一實施例的全正色散光纖雷射系統示意圖。 圖13 為本發明一實施例的非全光纖雷射系統，使用液晶作為偏振控制元件的示意圖。 圖14 為本發明一實施例的8字型光纖雷射系統示意圖。 圖15 為本發明一實施例的全光纖雷射系統，使用單一偏振控制器的示意圖。

Claims (20)

  1. 一種光纖雷射系統，包括：光纖雷射單元，輸出一脈衝雷射光，該脈衝雷射光包含似噪音脈衝雷射光或是鎖模脈衝雷射光；雷射光偵測裝置，包括光二極體，該光二極體吸收該光纖雷射單元輸出的該脈衝雷射光，其中該光二極體對於該似噪音脈衝雷射光與該鎖模脈衝雷射光的雙光子吸收信號是可區分的二個穩定電壓值狀態；以及控制裝置，讀取該光二極體的輸出信號，依照該二個穩定電壓值狀態的選擇，自動調整該光纖雷射單元以得到該脈衝雷射光是該似噪音脈衝雷射光或是該鎖模脈衝雷射光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該二個穩定電壓狀態是該光二極體的二個穩定吸收狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該二個穩定電壓狀態是利用一閥值來選擇其一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該控制裝置是由電腦系統，用以調整該光纖雷射單元中用以改變偏振態的光學元件，而得到輸出的該脈衝雷射光。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該光纖雷射單元是映射色散光纖雷射單元、全正色散光纖雷射單元或是8字型光纖雷射單元。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該光纖雷射單元是非線性偏極化旋轉光纖雷射單元，包括：偏振分光單元，利用該控制裝置調整雷射共振腔內之偏振態，使其得以形成脈衝雷射光輸出。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的光纖雷射系統，其中該偏振分光單元包括：可旋轉的第一四分之一波片；可旋轉的第二四分之一波片；可旋轉的二分之一波片；以及偏振分光鏡，將該脈衝雷射光引出給該控制裝置，其中該控制裝置自動控制該第一四分之一波片、該第二四分之一波片、該二分之一波片分別的旋轉角度。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的光纖雷射系統，其中該第一四分之一波片與該二分之一波片相鄰配置，且分別的旋轉方向是相反。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的光纖雷射系統，其中該光纖雷射單元是環形共振路徑，更包括：一激發光源，發出初級雷射光；以及一摻鐿光纖，接收該初級雷射光進行增幅。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該光纖雷射單元是非線性放大迴圈鏡光纖雷射單元，包括偏振控制單元，其中該偏振控制單元包括： 偏振控制器，設置在一光纖環形共振路徑上，其中藉由該控制裝置對該偏振控制器的調整，以得到而輸出的該脈衝雷射光。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該光纖雷射單元包括一液晶相位延遲器，藉由該控制裝置對該液晶相位延遲器的調整，以得到輸出的該脈衝雷射光。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該光二極體為GaAsP光二極體。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的光纖雷射系統，其中該雷射光偵測裝置更包括聚焦透鏡，將該光纖雷射單元輸出的該脈衝雷射光聚焦，而輸入給該光二極體。
  14. 一種光纖雷射光產生方法，包括：利用光纖雷射單元，輸出一脈衝雷射光，該脈衝雷射光包含似噪音脈衝雷射光或是鎖模脈衝雷射光；利用光二極體吸收該脈衝雷射光，其中該光二極體對於該似噪音脈衝雷射光與該鎖模脈衝雷射光的雙光子吸收信號是可區分的二個穩定電壓狀態；以及使用控制裝置，讀取該光二極體的輸出信號，依照該二個穩定吸收狀態的選擇，自動調整該光纖雷射單元以得到該脈衝雷射光是該似噪音脈衝雷射光或是該鎖模脈衝雷射光。
  15. 如申請專利範圍第14項所述的光纖雷射光產生方法，其中該二個穩定吸收狀態，對於該光二極體的輸出信號是二個穩定電壓狀態。
  16. 如申請專利範圍第14項所述的光纖雷射光產生方法，其中該二個穩定吸收狀態是利用一閥值來選擇其一。
  17. 如申請專利範圍第14項所述的光纖雷射光產生方法，其中該控制裝置是由電腦系統，用以調整該光纖雷射單元中用以改變偏振態的光學元件，而得到輸出的該脈衝雷射光。
  18. 如申請專利範圍第14項所述的光纖雷射光產生方法，其中該光纖雷射單元是全正色散光纖雷射單元，包括：偏振分光單元，利用該控制裝置調整非線性偏極化旋轉，以改變該脈衝雷射光的偏振態。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的光纖雷射光產生方法，其中該偏振分光單元包括：可旋轉的第一四分之一波片；可旋轉的第二四分之一波片；可旋轉的二分之一波片；以及偏振分光鏡，將該脈衝雷射光引出給該控制裝置，其中該控制裝置自動控制該第一四分之一波片、該第二四分之一波片、該二分之一波片分別的旋轉角度。
  20. 如申請專利範圍第18項所述的光纖雷射光產生方法，其中該光纖雷射單元包括偏振控制單元或是液晶相位延遲器，接受該控制裝置的控制，以得到輸出的脈衝該雷射光。
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