TWI699937B - 雷射裝置 - Google Patents
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Abstract
一種雷射裝置，包含雷射種子源、泵浦源、光結合器及光纖線組。雷射種子源用以產生一種子雷射光。泵浦源用以產生泵浦光。光結合器用以結合種子雷射光與泵浦光且通過輸出端輸出種子雷射光與泵浦光。光纖線組包含第一增益光纖及第一吸收光纖。第一增益光纖的一端連接光結合器且具有第一包層及第一纖芯，第一纖芯用於接收種子雷射光。第一吸收光纖的一端連接第一增益光纖的另一端且具有第二包層及第二纖芯，第一吸收光纖的第二包層連接第一增益光纖的第一包層且第二纖芯連接第一增益光纖的第一纖芯並用於吸收種子雷射光的拉曼波段訊號。
Description
本案係關於一種具有增益光纖與吸收光纖之組合的雷射裝置。
近年來，光纖雷射的應用越趨廣泛，已成為加工產業中不可或缺的技術。一般來說，雷射光在光纖當中傳輸時，可能會產生拉曼效應(Raman effect)。所述的拉曼效應係為一種光子的非彈性散射現象，其會導致入射光之一部份的光子散射後發生頻率變化，進而造成雷射效能的下降。
既有的技術可透過縮短光纖長度或是增大光纖截面積來提升拉曼效應的門檻，藉此降低拉曼效應的影響。然而，過縮短光纖長度的方式會導致散熱條件不佳與泵浦利用率降低的問題，而增大光纖截面積則會引發不必要的高階模態，造成後端能量散失。
雖然可透過設置光纖光柵或帶通濾波器等方式過濾拉曼波段，然而一方面來說，帶通頻段通常過窄，且可能需要多級過濾而導致成本大幅提高，另一方面，可能無法與一般光纖的相互熔接。因此，如何以低成本且高效率的方式吸收拉曼波段以抑制拉曼效應的現象係為本領域的一大課題。
本案提出一種雷射裝置，應用交錯設置的吸收光纖以抑制拉曼效應的影響，提升雷射效能。
依據本案之一實施例揭露一種雷射裝置，包含雷射種子源、泵浦源、光結合器及光纖線組。雷射種子源用以產生一種子雷射光。泵浦源用以產生泵浦光。光結合器具有接收端與輸出端，此接收端連接雷射種子源與泵浦源，光結合器用以結合種子雷射光與泵浦光以從此輸出端輸出種子雷射光與泵浦光。光纖線組連接光結合器。光纖線組包含第一增益光纖及第一吸收光纖。第一增益光纖的一端連接光結合器且具有第一包層及第一纖芯，第一增益光纖的第一包層環繞包覆於第一增益光纖的第一纖芯，且第一增益光纖的第一纖芯用於接收種子雷射光。第一吸收光纖的一端連接第一增益光纖的另一端且具有第二包層及第二纖芯，第一吸收光纖的第二包層環繞包覆於第一吸收光纖的第二纖芯且連接第一增益光纖的第一包層，第一吸收光纖的第二纖芯連接第一增益光纖的第一纖芯且用於吸收種子雷射光的拉曼波段訊號。
綜上所述，在本案所提出的雷射裝置中，將增益光纖與吸收光纖連接，當發生非線性效應時，種子雷射光的拉曼波段可由吸收光纖所吸收，進而抑制拉曼效應，使得雷射裝置可輸出具有良好純訊號的雷射，提升雷射的輸出效率與維持穩定性。
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案之精神與原理，並且提供本案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案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案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案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本案之觀點，但非以任何觀點限制本案之範疇。
請參照圖1，圖1係依據本案之一實施例所繪示的雷射裝置的架構圖。如圖1所示，雷射裝置1包含雷射種子源10、泵浦源12、光結合器14及光纖線組16。雷射種子源10用以產生種子雷射光SL，而泵浦源12用以產生泵浦光PL，在一實施例中，雷射種子源10輸出波段介於1020nm~1080nm範圍，泵浦源12輸出波段介於900nm~985nm範圍。光結合器14具有接收端與輸出端(圖中未標示)。光結合器14的接收端連接雷射種子源10與泵浦源12，而輸出端連接光纖線組16。具體來說，光結合器14分別透過不同光纖連接於雷射種子源10及泵浦源12以接收種子雷射光SL及泵浦光PL。光結合器14進一步地結合種子雷射光SL與泵浦光PL並且從輸出端輸出種子雷射光SL與泵浦光PL。
請進一步參照圖2，圖2係為本案之一實施例所繪示的光纖線組的立體剖視圖。如圖1與圖2所示，光纖線組16包含增益光纖161及吸收光纖162。增益光纖161的一端連接光結合器14且另一端則連接吸收光纖162。增益光纖161具有包層1611及纖芯1612，且包層1611環繞包覆於纖芯1612。吸收光纖162亦具有包層1621及纖芯1622，且包層1621環繞包覆於纖芯1622。更詳細來說，如圖2所示，增益光纖161的包層1611連接吸收光纖162的包層1621，且增益光纖161的纖芯1612連接吸收光纖162的纖芯1622。在實務上，增益光纖161更具有塗層1610環繞包覆於包層1611，而增益光纖162更具有塗層1620環繞包覆於包層1621，用於提供物理性的保護，避免內部的包層或纖芯遭受外部破壞而受損。
於圖1與圖2的實施例中，增益光纖161的纖芯1612係用於接收來自光結合器14的輸出端所輸出的種子雷射光SL，且進一步地將種子雷射光SL傳輸至吸收光纖162的纖芯1622，使得吸收光纖162的纖芯1622可吸收種子雷射光的拉曼波段訊號，亦即，吸收光纖162可用於吸收拉曼光譜，其吸收範圍大約為1090nm~1300nm，藉此降低拉曼效應的影響，提升雷射的輸出效率。於一實施例中，增益光纖161的包層1611用於接收泵浦光PL的能量，且增益光纖161透過吸收泵浦光PL的能量以放大種子雷射光SL的能量。更具體來說，當種子雷射光SL由雷射種子源10發出而進入到增益光纖161的纖芯1612時，泵浦光PL亦由泵浦源12發出而進入到增益光纖161的包層1611。在傳輸過程中，增益光纖161可藉由吸收泵浦光PL所具有之能量來放大種子雷射光SL的能量(泵浦光PL能量由包層1611進入纖芯1612)。
於一實施例中，增益光纖161係為摻鐿光纖(Ytterbium-doped optical fiber)，鐿元素摻雜於纖芯1612中，包層1611未摻雜；而吸收光纖162係為摻銩光纖(Thulium doped fibers)、掺鈥光纖(holmium-doped)或上述兩者混合比例之光纖，銩和/或鈥元素摻雜於纖芯1622中，包層1621未摻雜。在一實施例中，吸收光纖162主要係吸收拉曼(Raman)效應波長，雖然不同的種子光源訊號會有不同的拉曼波段，然而其吸收範圍大致位在1090nm~1300nm的範圍內。 所述的混合比例可根據實際需求而調整。前述的增益光纖與吸收光纖的材質僅係為舉例說明，本案不以此為限。圖2實施例中，增益光纖161的纖芯1612與吸收光纖162的纖芯1622具有相同的截面直徑。然而，於另一實施例中，增益光纖161的纖芯1612與吸收光纖162的纖芯1622的截面直徑之比值範圍為0.9倍到1.1倍，但本案不以此為限。舉例來說，假設增益光纖161的纖芯1621的截面直徑係為R，則吸收光纖162的纖芯1622的截面直徑係為0.9*R到1.1*R的範圍。在另一個範例中，假設吸收光纖162的纖芯1622的截面直徑係為R，則增益光纖161的纖芯1621的截面直徑係為0.9*R到1.1*R的範圍。
換言之，增益光纖161的纖芯1621的截面積的直徑與吸收光纖162的纖芯1622的截面積的直徑之差異需為10%以內。以實務上來說，增益光纖161與吸收光纖162之間的連接可透過熔接方式實現。前述的增益光纖161的纖芯1612的截面積的直徑與吸收光纖162的纖芯1622的截面積的直徑之差異在10%以內可以增加兩個光纖熔接的接合度，提升種子雷射光SL傳輸的穩定性。
於一實施例中，如圖1所示，光纖線組16更可進一步包含增益光纖163與吸收光纖164。增益光纖163的一端連接吸收光纖162的另一端，且增益光纖163的另一端連接吸收光纖164。如圖2所示，增益光纖163與吸收光纖164的結構分別相似於增益光纖161與吸收光纖162。亦即，增益光纖163與吸收光纖164個別具有包層及纖芯(圖中未繪示)，增益光纖163的包層連接吸收光纖164的包層，而增益光纖163的纖芯連接吸收光纖164的纖芯。更具體來說，所有的增益/吸收光纖的包層均連接在一起成為傳輸泵浦光PL的通道，而所有的增益/吸收光纖的纖芯均連接在一起成為傳輸種子雷射光SL的通道。
在實作上，雷射種子源10發出種子雷射光SL，使其由增益光纖161的一端進入到增益光纖161的纖芯1611，當種子雷射光SL傳輸到增益光纖161的某一特定長度時，便可能開始產生拉曼散射的現象。透過設置在增益光纖161之另一端的吸收光纖162可以適當地吸收種子雷射光SL的拉曼波段訊號，以抑制拉曼效應的現象。接著，經過吸收光纖162的拉曼波段吸收處理的種子雷射光SL繼續傳輸到下一個增益光纖163。同樣地，當種子雷射光SL傳輸到增益光纖163的某一特定長度時，亦可能開始產生拉曼散射的現象。透過設置在增益光纖163之另一端的吸收光纖164可以適當地吸收種子雷射光SL的拉曼波段訊號，以抑制拉曼效應的現象。
於一實施例中，如圖1所示，吸收光纖的長度b2大於吸收光纖的長度b1(亦即，b2＞ b1)。然而，在另一實施例中，吸收光纖的長度b2等於吸收光纖的長度b1(亦即，b2= b1)。於一實施例中，增益光纖的長度a2與吸收光纖的長度b2之總合大於增益光纖的長度a1與吸收光纖的長度b1之總合 (亦即， (a2+ b2) ＞(a1+ b1))。然而，在另一實施例中，增益光纖的長度a2與吸收光纖的長度b2之總合等於增益光纖的長度a1與吸收光纖的長度b1之總合(亦即，(a2+ b2) =(a1+ b1))。
於一實驗範例中，增益光纖161的長度a1係為4m，吸收光纖162的長度b1係為2m，增益光纖163的長度a2係為4.2 m，增益光纖164的長度b2係為3m，然而本發明不以此實驗範例為限。在實作上，參照以下的公式(1)，圖1當中的增益光纖161與吸收光纖162的長度總合(a1+b1)可係為拉曼產生的臨界長度與L
eff相同，而由於拉曼效應門檻的差異，因此長度(a1+b1)會不同於長度(a2+b2)，例如長度(a2+b2)大於長度(a1+b1)，其中，長度(a1+b1)與長度(a2+b2)可根據實際需求選用自3m~8m的長度範圍。由此可知，當光纖長度為(a1+b1)與(a2+b2)時會產生非線性效應，可透過吸收光纖162與吸收光纖164進行非線性波段的吸收。
於一實施例中，在雷射裝置1的光纖線組16具有的多個增益光纖與多個吸收光纖的數量相同。亦即，增益光纖與吸收光纖係以成對方式呈現，每段增益光纖搭配對應的吸收光纖，使得當種子雷射光傳輸而發生拉曼效應時，可適時地透過吸收光纖進行種子雷射光的拉曼波段訊號(拉曼效應的波段)的吸收。
於一實施例中，在雷射裝置1的光纖線組16具有的多個增益光纖與多個吸收光纖的數量分別係以三個為上限。請參照圖3，圖3係依據本案之另一實施例所繪示的雷射裝置的架構圖。圖3與圖1大致具有相同架構，圖3的雷射裝置2包含雷射種子源20、泵浦源22、光結合器24及光纖線組26。其中，圖3的雷射裝置2的雷射種子源20與泵浦源22分別用以產生種子雷射光SL’及泵浦光PL’，並將種子雷射光SL’及泵浦光PL’提供到光結合器24。圖3與圖1不同之處在於除了增益光纖261(長度a1’)、263(長度a2’)及吸收光纖262(長度b1’)、264(長度b2’)之外，光纖線組26僅可再包含另一組增益光纖265與吸收光纖266，亦即，此三段增益光纖與三段吸收光纖交錯設置，若第三組的增益光纖265具有長度a3’ 且吸收光纖266具有長度b3’，則光纖線組26的長度會呈現一關係(a1’+ b1’)≤ (a2’+ b2’) ≤ (a3’+ b3’)。在此限定增益光纖與吸收光纖的數量之目的在於數量過多的增益光纖與吸收光纖之連接所構成的整體傳輸光纖的長度會過長，進而導致雷射光的輸出不穩定。
請進一步參照圖4，圖4係依據本案之一實施例所繪示的能量波形示意圖。圖4所示的曲線C1代表既有的雷射裝置的能量波形變化，而曲線C2代表本案所提出的雷射裝置的能量波形變化。由圖4可得知，曲線C2在波長1100~1150(nm)的能量明顯低於曲線C1在波長1100~1150(nm)的能量。由此可驗證，由於本案所提出的雷射裝置具有交錯設置的吸收光纖用於適時地吸收拉曼效應的波段，因此在相同輸出功率的情況下，相較於既有的雷射裝置，本案的雷射裝置發生的拉曼散射效應影響明顯較小，可以有效抑制拉曼散射效應，其中拉曼散射(stimulated Raman Scattering，SRS)效應的改善程度，圖4上的SRS差異大約可達20dB。高峰值功率傳輸時可獲得較佳雷射輸出效率(提升10%~20%)，且大幅減少泵浦漏光，提升雷射系統穩定性。
綜合以上所述，在本案所提出的雷射裝置中，將增益光纖與吸收光纖連接，當發生非線性拉曼效應時，種子雷射光的拉曼波段訊號可由吸收光纖所吸收，進而抑制拉曼效應，使得雷射裝置可輸出具有良好純訊號的雷射，以提升雷射的輸出效率，並且可大幅減少泵浦漏光，改善雷射裝置的整體穩定性。
雖然本案以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本案。在不脫離本案之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本案之專利保護範圍。關於本案所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1 、2 雷射裝置 10、20 雷射種子源 12、22 泵浦源 14、24 光結合器 16、26 光纖線組 161、163、165、261、263、265 增益光纖 162、164、166、262、264、266 吸收光纖 1610、1620 塗層 1611、1621 包層 1612、1622 纖芯 SL、SL’ 種子雷射光 PL、 PL’ 泵浦光 C1、C2 曲線 a1~a3、b1~b3、a1’~a3’、b1’~b3’ 長度
圖1係依據本案之一實施例所繪示的雷射裝置的架構圖。 圖2係為本案之一實施例所繪示的光纖線組的立體剖視圖。 圖3係依據本案之另一實施例所繪示的雷射裝置的架構圖。 圖4係依據本案之一實施例所繪示的能量波形示意圖。
1 雷射裝置 10 雷射種子源 12 泵浦源 14 光結合器 16 光纖線組 161、163 增益光纖 162、164 吸收光纖 SL 種子雷射光 PL 泵浦光
Claims (9)
- 一種雷射裝置，包含：一雷射種子源，用以產生一種子雷射光；一泵浦源，用以產生一泵浦光；一光結合器，具有一接收端與一輸出端，該接收端連接該雷射種子源與該泵浦源，該光結合器用以結合該種子雷射光與該泵浦光以從該輸出端輸出該種子雷射光與該泵浦光；以及一光纖線組，連接該光結合器，該光纖線組包含：一第一增益光纖，該第一增益光纖的一端連接該光結合器且具有一第一包層及一第一纖芯，該第一增益光纖的該第一包層環繞包覆於該第一增益光纖的該第一纖芯，且該第一增益光纖的該第一纖芯用於接收該種子雷射光；以及一第一吸收光纖，該第一吸收光纖的一端連接該第一增益光纖的另一端且具有一第二包層及一第二纖芯，該第一吸收光纖的該第二包層環繞包覆於該第一吸收光纖的該第二纖芯且該第二包層連接該第一增益光纖的該第一包層，該第一吸收光纖的該第二纖芯連接該第一增益光纖的該第一纖芯且用於吸收該種子雷射光的拉曼波段訊號。
- 如請求項1所述的雷射裝置，其中該光纖線組更包含一第二增益光纖與一第二吸收光纖，該第二增益光纖的一端連接該第一吸收光纖的另一端，且該第二增益光纖的另一端連接該第二吸收光纖。
- 如請求項2所述的雷射裝置，其中該第二吸收光纖的長度大於或等於該第一吸收光纖的長度。
- 如請求項2所述的雷射裝置，其中該第二增益光纖與該第二吸收光纖的長度總和大於或等於該第一增益光纖與該第一吸收光纖的長度總和。
- 如請求項1所述的雷射裝置，其中該光纖線組更包含一或多個第二增益光纖與一或多個第二吸收光纖，該一或多個第二增益光纖與該一或多個第二吸收光纖交錯連接，且該一或多個第二增益光纖與該一或多個第二吸收光纖的數量均不大於2。
- 如請求項1所述的雷射裝置，其中該光纖線組更包含一或多個第二增益光纖與一或多個第二吸收光纖，該一或多個第二增益光纖的數量與該一或多個第二吸收光纖的數量相同。
- 如請求項1所述的雷射裝置，其中該第一增益光纖的該第一纖芯與該第一吸收光纖的該第二纖芯的截面直徑之比值範圍為0.9到1.1倍。
- 如請求項1所述的雷射裝置，其中該第一增益光纖係為摻鐿光纖，該第一吸收光纖係為摻銩光纖、掺鈥光纖或上述兩者混合比例之光纖。
- 如請求項1所述的雷射裝置，其中該第一增益光纖的該第一包層用於接收該泵浦光的能量，且該第一增益光纖透過吸收該泵浦光的能量以放大該種子雷射光的能量。
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