TWI678038B - 脈衝延遲可調光纖雷射系統 - Google Patents

脈衝延遲可調光纖雷射系統 Download PDF

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張耀文
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盧建宏
Chien-Hung Lu
宋育誠
Yu-cheng SONG
曹宏熙
Hong-Xi Tsau
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Abstract

一種脈衝延遲可調光纖雷射系統，而脈衝延遲可調光纖系統包括脈衝種子源雷射、光纖循環器、光纖結合器、第一光栅、第一延遲光纖及旁路光纖。光纖循環器連接脈衝種子源雷射且具有第一輸出端與第二輸出端。光纖結合器耦合光纖循環器的第一輸出端以及第二輸出端。第一光柵位於光纖循環器與光纖結合器之間，第一延遲光纖位於第一光柵與光纖循環器之間，且第一延遲光纖連接第一輸出端。旁路光纖位於光纖循環器與光纖結合器之間，旁路光纖之一端連接第二輸出端且另一端連接光纖結合器。

Description

脈衝延遲可調光纖雷射系統
本發明有關於一種光纖雷射系統。
脈衝雷射加工為目前常用的材料加工方式，透過脈衝雷射系統產生兩道具有延遲時間的脈衝雷射對材料加工，其中先擊中材料的第一道脈衝雷射作為預加工雷射，而第二道延遲的脈衝雷射作為主要加工雷射。由於不同的材料具有不同的特性，因此兩道雷射之延遲時間長短對加工品質有很大影響。當兩道雷射間的延遲時間太短時，由於脈衝雷射擊中材料時會噴濺出電漿，而噴濺出的電漿會阻擋延遲的脈衝雷射，使得延遲的脈衝雷射無法擊中材料的表面。反之，當兩道雷射間的延遲時間太長時，延遲的脈衝雷射還未擊中材料時，材料的表面溫度就已經降低至臨界點，降低主要加工的效果。
有鑑於此，目前的確有需要一種改良的光纖雷射系統，至少可改善以上缺點。
本揭露內容提供一種脈衝延遲可調光纖雷射系統，可根據待加工材料的特性，調整穿透雷射光與反射雷射光之間的時間差。
依據本揭露內容的一實施例，提供一種脈衝延遲可調光纖雷射系統，而脈衝延遲可調光纖系統包括脈衝種子源雷射、光纖循環器、光纖結合器、第一光栅、第一延遲光纖及旁路光纖。光纖循環器連接脈衝種子源雷射且具有第一輸出端與第二輸出端。光纖結合器耦合光纖循環器的第一輸出端以及第二輸出端。第一光柵位於光纖循環器與光纖結合器之間，第一延遲光纖位於第一光柵與光纖循環器之間，且第一延遲光纖連接第一輸出端。旁路光纖位於光纖循環器與光纖結合器之間，旁路光纖之一端連接第二輸出端且另一端連接光纖結合器。
所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統另包含：第二延遲光纖，第二延遲光纖之一端連接第一光柵，第一光柵位於第一延遲光纖與該第二延遲光纖之間。
所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中第二延遲光纖的長度大於第一延遲光纖的長度。
所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統另包含：一第二光柵，該第二光柵之一端連接該第二延遲光纖之另一端，該第二延遲光纖位於該第一光柵與該第二光柵之間。
可依據待加工材料的特性調整脈衝種子源雷射發出的雷射光的中心波長，使得光纖結合器輸出的反射雷射光與穿透雷射光之間具有適當的時間差。如此一來，延遲的雷射光不會被從待加工材料表面噴濺出的電漿所阻擋，也可在待加工材料的表面溫度降至臨界點之前擊中待加工材料，充分達到輔助加工的效果。
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發明之精神與原理，並且提供本發明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發明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發明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發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
圖1為依據本揭露內容一實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。如圖1所示，脈衝延遲可調光纖雷射系統1可包含脈衝種子源雷射10、光纖循環器11、第一延遲光纖12、第一光栅13、第二延遲光纖14、第二光栅15、光纖結合器16以及旁路光纖17。脈衝種子源雷射10係可變雷射中心波長之脈衝雷射且例如可透過控制溫度來改變雷射源S的中心波長，但調整方式不以此為限。雷射源S可例如為奈秒雷射(nanosecond laser)或皮秒雷射(picosecond laser)。光纖循環器11包含輸入端111、第一輸出端112以及第二輸出端113，光纖循環器11的輸入端111連接脈衝種子源雷射10，光纖循環器11的第一輸出端112連接第一延遲光纖12的一端，而光纖循環器11的第二輸出端113連接旁路光纖17的一端。
第一延遲光纖12的另一端連接第一光栅13的一端，而第一延遲光纖12位於第一光栅13與光纖循環器11之間。第一光柵13的另一端連接第二延遲光纖14的一端，而第一光柵13位於第一延遲光纖12與第二延遲光纖14之間。第二光栅15的一端連接於第二延遲光纖14的另一端，而第二延遲光纖14位於第一光栅13與第二光栅15之間。第二光栅15的另一端連接於光纖結合器16的一端，而第二光栅15位於第二延遲光纖14與光纖結合器16之間。第二延遲光纖14的長度大於第一延遲光纖12的長度，第一光柵13具有第一中心波長λ 1，第二光柵15具有第二中心波長λ 2，而第二中心波長λ 2與第一中心波長λ 1之間沒有波長重疊。在本實施例中，光柵與延遲光纖的數量各為兩個。在其他實施例中，光栅的數量與延遲光纖可各為單個或者三個以上，只需光栅的數量與延遲光纖的數量相同。
光纖結合器16具有第一輸入端161、第二輸入端162及輸出端163，光纖結合器16的第一輸入端161連接第二光柵15，光纖結合器16的第二輸入端162連接旁路光纖17，而光纖結合器16的輸出端163用於連接待加工材料(圖未顯示)。旁路光纖17的兩端分別連接光纖循環器11的第二輸出端113以及光纖結合器16的第二輸入端162。
當脈衝種子源雷射10發出的雷射源S的中心波長與光柵的中心波長相符合時，雷射源的一部份將穿透光柵成為穿透雷射光P1，而雷射源的另一部份將被光柵反射而成為反射雷射光P2。在本實施例中，雷射源S的波長λs與第一光柵13的第一中心波長λ 1彼此符合時，意即雷射源S的波長位於第一光柵13的第一中心波長λ 1範圍之內。例如，第一光柵13的第一中心波長λ 1範圍為0.55nm~0.65nm，脈衝種子源雷射10發出的雷射源S的波長λs位於0.55nm~0.65nm。穿透雷射光P1穿透第一光柵13後，穿透雷射光P1通過第二延遲光纖14與第二光柵15(不會阻擋或反射穿透雷射光P1)，穿透雷射光P1繼續朝向光纖結合器16，直到光纖結合器16接收到穿透雷射光P1。至於反射雷射光P2先返回與光柵最靠近的第一延遲光纖12，接著第一延遲光纖12朝向光纖循環器11傳遞反射雷射光P2。當光纖循環器11藉由第一輸出端112接收到反射雷射光P2後，光纖循環器11將反射雷射光P2由第二輸出端113傳送至旁路光纖17，而旁路光纖17傳送反射雷射光P2至光纖結合器16，光纖結合器16藉由第二輸入端162接收反射雷射光P2。由於穿透雷射光P1與反射雷射光P2之間具有光程差，所以從光纖結合器16的輸出端163輸出的穿透雷射光P1與反射雷射光P2之間具有時間差。
圖2為依據本揭露內容的一實施例的所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的操作示意圖。共同參閱圖1與圖2，脈衝種子源雷射10發出的雷射源S的波長λs調整為符合第一光柵13的第一中心波長λ 1，第一延遲光纖12、第二延遲光纖14以及旁路光纖17的長度分別為0.12nm、 0.06nm以及0.24nm，當雷射源S擊中第一光柵13後會形成穿透雷射光P1以及反射雷射光P2，接著穿透雷射光P1依序通過第二延遲光纖14及第二光柵15，最後由光纖結合器16接收。至於反射雷射光P2則先通過第一延遲光纖12，接著光纖循環器11接收反射雷射光P2。當光纖循環器11接收到反射雷射光P2，光纖循環器11將反射雷射光P2從第二輸出端113傳送至旁路光纖17，接著旁路光纖17傳送反射雷射光P2至光纖結合器16的第二輸入端162。由於穿透雷射光P1走的光程距離為0.18nm，而反射雷射光P2走的光程距離為0.36nm，所以光纖結合器16的輸出端163先後輸出穿透雷射光P1與反射雷射光P2，穿透雷射光P1與反射雷射光P2之間具有第一時間差Δt1，如圖2所示。
圖3為依據本揭露內容的另一實施例的所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的操作示意圖。共同參閱圖1與圖3，脈衝種子源雷射10發出的雷射源S的波長λs調整為符合第二光柵15的第二中心波長λ 2，當雷射源S擊中第二光柵15後會形成穿透雷射光P1以及反射雷射光P2，接著穿透雷射光P1被傳送至光纖結合器16的第一輸入端161。至於反射雷射光P2則依序通過第二延遲光纖14、第一光柵13及第一延遲光纖12，接著光纖循環器11藉由第一輸出端112接收反射雷射光P2。光纖循環器11接收反射雷射光P2後從第二輸出端113輸出反射雷射光P2至旁路光纖17，接著旁路光纖17傳送反射雷射光P2至光纖結合器16的第二輸入端162。最後，光纖結合器16的輸出端163先後輸出穿透雷射光P1與反射雷射光P2，而穿透雷射光P1與反射雷射光P2之間具有第二時間差Δt2，其中第二時間差Δt2相異於圖2的第一時間差Δt1，第二時間差Δt2大於第一時間差Δt1。
圖4為依據本揭露內容的又一實施例的所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的操作示意圖。共同參閱圖1與圖4，脈衝種子源雷射10發出奈秒雷射ns，將奈秒雷射ns的波長調整為符合第一光柵13的第一中心波長λ 1。當奈秒雷射ns擊中第一光柵13後，利用旁波增益機制產生的皮秒雷射 ps被第一光柵13反射，而奈秒雷射ns穿透第一光柵13。接著奈秒雷射 ns依序通過第二延遲光纖14及第二光柵15，接著光纖結合器16的第一輸入端161接收奈秒雷射 ns。至於被反射的皮秒雷射 ps則先通過第一延遲光纖12，接著光纖循環器11藉由第一輸出端112接收被反射的皮秒雷射 ps。當光纖循環器11接收被反射的皮秒雷射 ps後從第二輸出端113輸出皮秒雷射 ps至旁路光纖17，接著旁路光纖17傳送皮秒雷射 ps至光纖結合器16。若皮秒雷射ps走的光程距離大於奈秒雷射ns走的光程距離，則最後光纖結合器16的輸出端163先後輸出奈秒雷射ns與皮秒雷射ps，而奈秒雷射ns與皮秒雷射ps之間具有第一時間差Δt1，如圖4所示。依此類推，在其他實施例中，若皮秒雷射ps走的光程距離小於奈秒雷射ns走的光程距離，則光纖結合器16的輸出端先後輸出皮秒雷射ps與奈秒雷射ns。
圖5為依據本揭露內容的第二實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。如圖5所示，本實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統2與第一實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統1的差異在於本實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統2更包括一第一放大器18，第一放大器18用於放大脈衝種子源雷射10發出的雷射源S。第一放大器18可位於脈衝種子源雷射10與光纖循環器11之間，在本實施例中，第一放大器18的輸入端連接脈衝種子源雷射10的輸出端，而第一放大器18的輸出端連接光纖循環器11的輸入端111，所以第一放大器18位於脈衝種子源雷射10與光纖循環器11之間。
圖6為依據本揭露內容的第三實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。如圖6所示，本實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統3與第一實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統1的差異在於本實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統3更包括第二放大器19，第二放大器19的輸入端連接光纖循環器11的第二輸出端113，而第二放大器19的輸出端連接旁路光纖17的一端，第二放大器19用於放大反射雷射光P2。
圖7為依據本揭露內容的第四實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。如圖7所示，本實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統3與第一實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統1的差異在於本實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統4更包括第三放大器20，而第三放大器20的輸入端連接最靠近光纖結合器16的第二光柵15，而第三放大器20的輸出端連接光纖結合器16的第一輸入端161，所以第三放大器20位於第二光柵15與光纖結合器16之間，第三放大器20用於放大穿透過第二光柵15的穿透雷射光P1。
圖8為依據本揭露內容的第五實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。如圖8所示，本實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統5與第一實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統1的差異在於本實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統5更包括第一放大器18、第二放大器19及第三放大器20，第一放大器18位於脈衝種子源雷射10與光纖循環器11之間，第二放大器19位於光纖循環器11與旁路光纖17之間，而第三放大器20位於第二光柵15與光纖結合器16之間。
本揭露內容的脈衝延遲可調光纖雷射系統，提供使用者依據待加工材料的特性去調整脈衝種子源雷射發出的雷射光的波長，使得光纖結合器前後輸出的穿透雷射光與反射雷射光之間具有適當的時間差。如此一來，反射雷射光不會因為與穿透雷射光之間的時間差過短而被待加工材料表面噴濺出的電漿所阻擋，也不會因為與穿透雷射光之間的時間差太長而在待加工材料的表面溫度降至臨界點之後才擊中待加工材料，因此可有效地實現前後兩道雷射進行材料加工的效果。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1、2、3、4、5‧‧‧脈衝延遲可調光纖雷射系統
10‧‧‧脈衝種子源雷射
11‧‧‧光纖循環器
111‧‧‧輸入端
112‧‧‧第一輸出端
113‧‧‧第二輸出端
12‧‧‧第一延遲光纖
13‧‧‧第一光柵
14‧‧‧第二延遲光纖
15‧‧‧第二光柵
16‧‧‧光纖結合器
161‧‧‧第一輸入端
162‧‧‧第二輸入端
163‧‧‧輸出端
17‧‧‧旁路光纖
18‧‧‧第一放大器
19‧‧‧第二放大器
20‧‧‧第三放大器
P1‧‧‧穿透雷射光
P2‧‧‧反射雷射光
ns‧‧‧奈秒雷射
ps‧‧‧皮秒雷射
S‧‧‧雷射源
圖1為依據本揭露內容的一實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。 圖2為依據本揭露內容一實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統的操作示意圖。 圖3為依據本揭露內容另一實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統的操作示意圖。 圖4為依據本揭露內容又一實施例的脈衝延遲可調光纖雷射系統的操作示意圖。 圖5為依據本揭露內容的第二實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。 圖6為依據本揭露內容的第三實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。 圖7為依據本揭露內容的第四實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。 圖8為依據本揭露內容的第五實施例所繪示的脈衝延遲可調光纖雷射系統的示意圖。

Claims (15)

  1. 一種脈衝延遲可調光纖雷射系統，包括：一脈衝種子源雷射；一光纖循環器，連接該脈衝種子源雷射，具有第一輸出端與第二輸出端；一光纖結合器，耦合該光纖循環器的該第一輸出端與該第二輸出端；一第一光柵，位於該光纖循環器與該光纖結合器之間；一第一延遲光纖，位於該第一光柵與該光纖循環器之間，該第一延遲光纖連接該第一輸出端；以及一旁路光纖，位於該光纖循環器與該光纖結合器之間，該旁路光纖之一端連接該第二輸出端，另一端連接該光纖結合器。
  2. 如請求項1所述的脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該光纖循環器藉由該第一輸出端接收來自該第一光柵之一反射雷射光，且由該第二輸出端輸出該反射雷射光，該旁路光纖傳遞該反射雷射光。
  3. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該光纖結合器接收來自該第一光柵之一穿透雷射光。
  4. 如請求項2或3所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該光纖結合器所輸出之該反射雷射光與該穿透雷射光之間具有一時間差。
  5. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該脈衝種子源雷射輸出一雷射源，該雷射源具有一波長相同於該第一光柵的一第一中心波長。
  6. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，另包含：一第二延遲光纖，該第二延遲光纖之一端連接該第一光柵，該第一光柵位於該第一延遲光纖與該第二延遲光纖之間。
  7. 如請求項6所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該第二延遲光纖的長度大於該第一延遲光纖的長度。
  8. 如請求項6所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，另包含：一第二光柵，該第二光柵之一端連接該第二延遲光纖之另一端，該第二延遲光纖位於該第一光柵與該第二光柵之間。
  9. 如請求項8所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該第一光柵具有一第一中心波長，該第二光柵具有一第二中心波長，該第二中心波長與該第一中心波長頻寬互不重疊。
  10. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該脈衝種子源雷射係可變雷射中心波長之脈衝雷射。
  11. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該光纖結合器先後輸出一皮秒雷射與一奈秒雷射，該皮秒雷射與該奈秒雷射之間具有一時間差。
  12. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，其中該光纖結合器先後輸出一奈秒雷射與一皮秒雷射，該皮秒雷射與該奈秒雷射之間具有一時間差。
  13. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，另包含：一第一放大器，位於該脈衝種子源雷射與該光纖結合器之間。
  14. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，另包含：一第二放大器，位於該光纖循環器與該旁路光纖之間。
  15. 如請求項1所述之脈衝延遲可調光纖雷射系統，另包含：一第三放大器，位於該第二光柵與該光纖結合器之間。
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