TWI716205B - 功率量測保護方法與雷射保護系統 - Google Patents
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Abstract
一種功率量測保護方法，包括以下步驟：藉由光學擴散元件衰減第一雷射光之雷射功率而為第二雷射光；藉由光偵測器偵測第二雷射光以取得光學偵測訊號；藉由訊號轉換模組以將光學偵測訊號轉換為量測資料特徵值；藉由處理器接收量測資料特徵值與設定資料特徵值並傳輸至編碼器；藉由編碼器對量測資料特徵值與設定資料特徵值進行編碼，並將編碼後之量測編碼資料與設定編碼資料傳輸至控制模組。控制模組依據設定編碼資料與量測編碼資料，以判定高功率雷射源是否停止運作。此外，一種雷射保護系統亦被提出。
Description
本發明是有關於一種功率量測保護方法與雷射保護系統。
雷射是藉由激發散射的輻射以實現光線放大作用而產生的一種光線。雷射系統重要關鍵零組件之一，其功用為即時量測高功率雷射系統輸出功率，一般使用光偵測器(Photo detector)作為量測雷射功率之工具，但其所承受的功率有限制，而高功率雷射系統上產生的反射光或需要量測的光線等光源強度是遠高於市面上光偵測器所能承受的功率，換言之，由於高功率雷射的出光功率過高，導致無法直接使用體積較小的光偵測器進行感測，往往需要先透過多個光學元件進行功率上的衰減後之後，再進行功率量測，或需要使用功率計進行量測與保護。由此可知，習用技術針對高功率雷射係需透過多個光學元件進行功率上的衰減，以供光偵測器偵測，並且，高功率雷射的出光功率越高，其反射功率越高，相應所需要的衰減器的個數便越多，換言之，習用技術除了無法直接偵測光源以外，並由於這些光學衰減元件的組成設計，導致有其整體體積過於龐大，且成本過高的問題存在。
另外，習用針對高功率量測的機制，僅能檢測而無法具有回饋與調整機制，換言之，如有異常大的光訊號變化量，僅能檢測到高功率雷射系統有異常，但並無任何回饋與調整機制來達到保護高功率雷射系統的目的。
本發明提供一種功率量測保護方法與雷射保護系統，採用光學擴散元件構成的創新的一保護架構，此保護架構底下，在降低整體雷射保護系統之成本與體積的情況，達到保護高功率雷射系統的目的，並具有回饋、調整以及雜訊對抗的機制。
本發明之一實施例提供一種雷射保護系統，包括一高功率雷射源、一光學擴散元件、一光偵測器、一訊號處理裝置以及一控制模組。高功率雷射源依據一設定資料，產生一第一雷射光。光學擴散元件接收第一雷射光，並衰減第一雷射光之雷射功率而為一第二雷射光。光偵測器偵測第二雷射光，以取得該第二雷射光之一光學偵測訊號。訊號處理裝置連接光偵測器，訊號處理裝置包括一訊號轉換模組、一處理器以及一編碼器。訊號轉換模組用以將光學偵測訊號轉換為一量測資料特徵值，處理器用以接收量測資料特徵值以及一設定資料特徵值，並傳輸至編碼器，設定資料特徵值由設定資料轉換，編碼器用以對量測資料特徵值進行編碼為一量測編碼資料，編碼器用以對設定資料特徵值進行編碼為一設定編碼資料。控制模組傳輸設定資料於高功率雷射源，且控制模組連接訊號處理裝置。編碼器用以傳輸量測編碼資料與設定編碼資料至控制模組，且控制模組依據設定編碼資料與量測編碼資料，以判定高功率雷射源是否停止運作。
本發明之另一實施例提供一種功率量測保護方法，用於一高功率雷射系統，高功率雷射系統包括一高功率雷射源，高功率雷射源具有一設定資料特徵值，功率量測保護方法包括以下步驟：藉由一光學擴散元件衰減一第一雷射光之雷射功率而為一第二雷射光；藉由一光偵測器偵測第二雷射光以取得一光學偵測訊號；藉由一訊號轉換模組以將光學偵測訊號轉換為一量測資料特徵值；藉由一處理器接收量測資料特徵值與設定資料特徵值並傳輸至一編碼器；藉由編碼器對量測資料特徵值與設定資料特徵值進行編碼，並將編碼後之一量測編碼資料與一設定編碼資料傳輸至一控制模組。控制模組依據設定編碼資料與量測編碼資料，以判定高功率雷射源是否停止運作。
基於上述，本發明之功率量測保護方法與雷射保護系統並非是利用多個衰減器對雷射光進行功率上的衰減，也不需要使用功率計，而僅透過光學擴散元件來衰減雷射光之雷射功率，來降低需要多組衰減器之光學架構的個數、成本與體積，即可在整體高功率雷射系統體積縮小化的情況下，達到保護高功率雷射系統的目的。
再者，由於本發明先對量測資料特徵值以及設定資料特徵值進行編碼加密，再將編碼加密後的量測編碼資料設定編碼資料傳輸至控制模組，此舉可避免或降低傳輸量測編碼資料與設定編碼資料時被雜訊干擾之程度，確保傳輸量測編碼資料與設定編碼資料不會受外部的、大電流之外部雜訊之干擾而變化，透過此方式，本發明具有雜訊對抗的機制，降低被雜訊干擾造成量測誤差之問題。
為讓本發明能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步描述。以下實施例僅用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此限制本發明的保護範圍。
需說明的是，在各個實施例的說明中，當一元件被描述是在另一元件之「上方/上」或「下方/下」，係指直接地或間接地在該另一元件之上或之下的情況，其可能包含設置於其間的其他元件；所謂的「直接地」係指其間並未設置其他中介元件。「上方/上」或「下方/下」等的描述係以圖式為基準進行說明，但亦包含其他可能的方向轉變。所謂的「第一」、「第二」、「第三」、及「第四」係用以描述不同的元件，這些元件並不因為此類謂辭而受到限制。為了說明上的便利和明確，圖式中各元件的厚度或尺寸，係以誇張或省略或概略的方式表示，且各元件的尺寸並未完全為其實際的尺寸。
第1圖為本發明之雷射保護系統的示意圖。請參閱第1圖。本實施例之雷射保護系統100包括一高功率雷射源110、一光學擴散元件120、一光偵測器130、一訊號處理裝置140以及一控制模組150，其中高功率雷射系統係由高功率雷射源110、光偵測器130、訊號處理裝置140以及控制模組150構成，並採用光學擴散元件120構成對高功率雷射系統的一保護架構。
在本實施例中，控制模組150傳輸設定資料SD於高功率雷射源110，用以對高功率雷射源設定雷射功率，高功率雷射源110依據一設定資料SD，產生第一雷射光L1。光學擴散元件120用以接收第一雷射光L1，並衰減第一雷射光L1之雷射功率而為一第二雷射光L2，也就是，第一雷射光L1通過光學擴散元件120後，會使第二雷射光L2之雷射功率小於第一雷射光L1之雷射功率。詳細而言，本實施例之光學擴散元件120由多孔隙材質所製成，即藉由多孔隙材質具有散射、反射之作用，來對具高功率之第一雷射光L1進行衰減，以供光偵測器130偵測。在一實施例中，多孔隙材質例如為陶瓷，但本實施例不對多孔隙材質之材料加以限制。由此可知，本實施例並非是利用多個衰減器對雷射光進行功率上的衰減，也不需要使用功率計，而僅透過光學擴散元件120的作法，來降低需要多組衰減器之光學架構的個數、成本與體積，即可在整體雷射保護系統100體積縮小化的情況下，達到保護高功率雷射系統的目的。
在本實施例中，光偵測器130係偵測第二雷射光L2以得到一光學偵測訊號ODS。訊號處理裝置140連接光偵測器130，光學偵測訊號ODS被傳輸至訊號處理裝置140進行處理，訊號處理裝置140將處理後的光學偵測訊號ODS傳輸至控制模組150進行比對，檢測到高功率雷射系統是否有異常。
詳細而言，訊號處理裝置140包括一訊號轉換模組142、一處理器144以及一編碼器146，其中訊號轉換模組142連接處理器144，處理器144連接編碼器146。訊號轉換模組142用以將光學偵測訊號ODS轉換為一量測資料特徵值CM，即將光學偵測訊號ODS之類比訊號的格式轉換為數位訊號的格式，在一實施例中，訊號轉換模組142包含一功率放大器1422，光學偵測訊號ODS用以通過功率放大器1422產生量測資料特徵值CM。處理器144用以接收量測資料特徵值CM以及設定資料特徵值CS，其中設定資料特徵值CS由設定資料SD轉換。在一實施例中，訊號轉換模組142包含一解碼器1424，解碼器1424用以對設定資料SD進行解碼為設定資料特徵值CS。
在本實施例中，處理器144整合接收量測資料特徵值CM以及設定資料特徵值CS後，並傳輸至編碼器146，編碼器146用以對量測資料特徵值CM進行編碼為一量測編碼資料EM，編碼器146用以對設定資料特徵值CS進行編碼為一設定編碼資料ES。控制模組150連接訊號處理裝置140。編碼器146用以傳輸量測編碼資料EM與設定編碼資料ES至控制模組150。而控制模組依150係依據設定編碼資料ES與量測編碼資料EM，以判定高功率雷射源110是否停止運作。
在此配置之下，由於本實施例係先對量測資料特徵值CM以及設定資料特徵值CS進行編碼加密，再將編碼加密後的量測編碼資料EM與設定編碼資料ES傳輸至控制模組150，此舉可避免或降低傳輸量測編碼資料EM與設定編碼資料ES時被雜訊干擾之程度，確保傳輸量測編碼資料EM與設定編碼資料ES不會受外部的電磁干擾(Electromagnetic Disturbance，EMI)、大電流之外部雜訊之干擾而變化，換言之，本實施例藉此具有雜訊對抗的機制，降低被雜訊干擾造成量測誤差之問題。
此外，在一實施例中，控制模組150更包括一處理器152與一解碼器154，處理器152連接解碼器154，控制模組依150中的解碼器154接收設定編碼資料ES與量測編碼資料EM之後，解碼器154用以對設定編碼資料ES與量測編碼資料EM進行解碼，以得到量測資料特徵值CM以及設定資料特徵值CS，並傳輸至處理器152。處理器152依據設定資料特徵值CS，判斷量測資料特徵值CM是否異常。在一實施例中，例如比對量測資料特徵值CM的數值與設定資料特徵值CS的數值是否一致，來判斷量測資料特徵值CM之數值是否異常。若判斷量測資料特徵值CM異常，即量測資料特徵值CM的數值與設定資料特徵值CS的數值有誤差，停止高功率雷射源110之運作；反之，若判斷量測資料特徵值CM並無異常，繼續高功率雷射源110之運作。在另一實施例中，例如比對至少連續兩個以上量測資料特徵值CM的數值與設定資料特徵值CS的數值，若至少連續兩個量測資料特徵值CM的數值與設定資料特徵值CS的數值比對後均有誤差，才判斷判斷量測資料特徵值CM之數值為異常，藉此避免誤判之狀況發生。
第2圖為本發明之雷射保護系統的一示範結構的示意圖。請參閱第1圖與第2圖，第2圖為第1圖之雷射保護系統100之一具體結構實施態樣。本實施例之高功率雷射源110包含一光纖112與一接頭114，光纖112連接接頭114，接頭114可例如為光纖接頭或FC（Ferrule Connector）金屬接頭，端視實際產品而可調整接頭的型態。光纖110產生具高功率之第一雷射光L1，第一雷射光L1穿過接頭114。光學擴散元件120位於高功率雷射源110與光偵測器130之間，光學擴散元件120接收第一雷射光L1，並可對第一雷射光L1之雷射功率進行衰減而得到第二雷射光L2。詳細而言，第一雷射光L1之雷射功率與光學擴散元件120的厚度H成正比。舉例而言，光學擴散元件120的厚度H為0.5 mm，其所承受之第一雷射光L1之功率範圍為2W~10W。光偵測器130為一光二極體(photodiode)，其用以偵測衰減後之第二雷射光L2，且光偵測器130將第二雷射光L2轉換為一光學偵測訊號ODS，並傳輸至訊號處理裝置140進行處理。
在一實施例中，雷射保護系統100更包括一電路板180，光偵測器130與訊號處理裝置140分別配置於電路板180之上。進一步而言，在另一實施例中，雷射保護系統100更包括一外殼160與一鎖固接頭162，接頭可透過螺鎖方式固定在鎖固接頭162之內，使得外殼160連接接頭。外殼160係為一中空殼體，其包覆光學擴散元件120與光偵測器130，可藉此防止光學漫射時對其他構件(如高功率雷射源110)造成損害。另外，外殼160可採用金屬殼體，藉此來吸收因光學擴散膜反射後產生之熱能，或阻擋反射、散射光。
第3圖為本發明之功率量測保護方法的流程圖。請參閱第3圖，本發明之功率量測保護方法S100用於高功率雷射系統，高功率雷射系統可參考第1圖或第2圖，其至少包括高功率雷射源110、光偵測器130、訊號處理裝置140與控制模組150，並採用光學擴散元件120構成對高功率雷射系統的一保護架構。
在本實施例中，功率量測保護方法S100包括以下步驟S110至步驟S160。進行步驟S110，藉由光學擴散元件120衰減第一雷射光L1之雷射功率而為第二雷射光L2。詳細而言，如第1圖所示，首先，藉由高功率雷射源110發出第一雷射光L1。例如，可藉由控制模組150傳輸設定資料SD，以設定高功率雷射110之雷射功率，高功率雷射110依據設定資料110發出第一雷射光L1。接著，步驟S110更包括以下步驟：採用多孔隙材質製作光學擴散元件120，並藉由多孔隙材質具有散射、反射之作用，使第二雷射光L2之雷射功率小於第一雷射光L1之雷射功率，達到對具高功率之第一雷射光L1進行衰減，以供光偵測器130偵測。
進行步驟S110之後，接著進行步驟S120，藉由光偵測器130偵測第二雷射光L2以取得光學偵測訊號ODS。接著，進行步驟S130，藉由訊號轉換模組140以將光學偵測訊號ODS轉換為量測資料特徵值CM。詳細而言，步驟S130更包括以下步驟：使光學偵測訊號ODS通過功率放大器1422，以產生量測資料特徵值CM，可使光學偵測訊號ODS之類比訊號的格式轉換為數位訊號的格式。
進行步驟S130之後，接著進行步驟S140，藉由處理器144接收量測資料特徵值CM與設定資料特徵值CS並傳輸至一編碼器146。在一實施例中，步驟S140之前，更包括以下步驟：控制模組150用以傳輸設定資料SD於解碼器1424，藉由解碼器1424，對設定資料SD進行解碼為設定資料特徵值CS並傳輸至處理器144，換言之，設定資料特徵值CS由設定資料SD轉換。
進行步驟S140之後，使得處理器144整合接收量測資料特徵值CM以及設定資料特徵值CS，接著進行步驟S150，藉由編碼器146對量測資料特徵值CM與設定資料特徵值CS進行編碼，量測資料特徵值CM經編碼後為量測編碼資料EM，設定資料特徵值CS經編碼後為設定編碼資料ES，並將編碼後之量測編碼資料EM與設定編碼資料ES傳輸至一控制模組150。由此可知，藉由先對量測資料特徵值CM以及設定資料特徵值CS進行編碼加密之步驟，避免或降低傳輸量測編碼資料EM與設定編碼資料ES時被雜訊干擾之程度，確保傳輸量測編碼資料EM與設定編碼資料ES不會受外部的電磁干擾(Electromagnetic Disturbance，EMI)、大電流之外部雜訊之干擾而變化，換言之，本實施例藉此具有雜訊對抗的機制，降低被雜訊干擾造成量測誤差之問題。
進行步驟S150之後，接著，進行步驟S160，控制模組150依據設定編碼資料ES與量測編碼資料EM，以判定高功率雷射源110是否停止。詳細而言，步驟S160更包括以下步驟：對設定編碼資料ES與量測編碼資料EM進行解碼，以得到設定資料特徵值CS與量測資料特徵值CM。接著，依據設定資料特徵值CS，判斷量測資料特徵值CM是否異常。接著，若判斷量測資料特徵值CM是否異常，停止高功率雷射源110。舉例而言，可利用第1圖控制模組依150中的解碼器154對設定編碼資料ES與量測編碼資料EM進行解碼，以得到量測資料特徵值CM以及設定資料特徵值CS。，並傳輸至處理器152。處理器152依據設定資料特徵值CS，判斷量測資料特徵值CM是否異常。在一實施例中，例如比對量測資料特徵值CM的數值與設定資料特徵值CS的數值是否一致，來判斷量測資料特徵值CM之數值是否異常。若判斷量測資料特徵值CM異常，即量測資料特徵值CM的數值與設定資料特徵值CS的數值有誤差，停止高功率雷射源110之運作；反之，若判斷量測資料特徵值CM並無異常，繼續高功率雷射源110之運作。在另一實施例中，例如比對至少連續兩個以上量測資料特徵值CM的數值與設定資料特徵值CS的數值，若至少連續兩個量測資料特徵值CM的數值與設定資料特徵值CS的數值比對後均有誤差，才判斷判斷量測資料特徵值CM之數值為異常，藉此避免誤判之狀況發生。由此可知，本實施例檢測高功率雷射系統的同時，具有回饋與調整機制來達到保護高功率雷射系統的目的。
綜上所述，本發明之功率量測保護方法與雷射保護系統並非是利用多個衰減器對雷射光進行功率上的衰減，也不需要使用功率計，而僅透過光學擴散元件來衰減雷射光之雷射功率，來降低需要多組衰減器之光學架構的個數、成本與體積，即可在整體高功率雷射系統體積縮小化的情況下，達到保護高功率雷射系統的目的。
再者，由於本發明先對量測資料特徵值以及設定資料特徵值進行編碼加密，再將編碼加密後的量測編碼資料設定編碼資料傳輸至控制模組，此舉可避免或降低傳輸量測編碼資料與設定編碼資料時被雜訊干擾之程度，確保傳輸量測編碼資料與設定編碼資料不會受外部的、大電流之外部雜訊之干擾而變化，透過此方式，本發明具有雜訊對抗的機制，降低被雜訊干擾造成量測誤差之問題。
此外，本發明進一步可採用外殼包覆光學擴散元件與光偵測器，可藉此防止光學漫射時對高功率雷射源等構件造成損害。另外，外殼可採用金屬殼體，藉此來吸收因光學擴散膜反射後產生之熱能，或阻擋反射、散射光。
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，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100:雷射保護系統
110:高功率雷射源
112:光纖
114:接頭
120:光學擴散元件
130:光偵測器
140:訊號處理裝置
142:訊號轉換模組
1422:功率放大器
1424:解碼器
144:處理器
146:編碼器
150:控制模組
152:處理器
154:解碼器
160:外殼
162:鎖固接頭
180:電路板
CM:量測資料特徵值
CS:設定資料特徵值
EM:量測編碼資料
ES:設定編碼資料
L1:第一雷射光
L2:第二雷射光
H:厚度
ODS:光學偵測訊號
SD:設定資料
S100:功率量測保護方法
S110~S160:步驟
第1圖為本發明之雷射保護系統的示意圖。
第2圖為本發明之雷射保護系統的一示範結構的示意圖。
第3圖為本發明之功率量測保護方法的流程圖。
S100:功率量測保護方法
S110~S160:步驟
Claims (15)
- 一種雷射保護系統，包括： 一高功率雷射源，依據一設定資料，產生一第一雷射光； 一光學擴散元件，接收該第一雷射光，並衰減該第一雷射光之雷射功率而為一第二雷射光； 一光偵測器，偵測該第二雷射光以取得該第二雷射光之一光學偵測訊號； 一訊號處理裝置，連接該光偵測器，該訊號處理裝置包括一訊號轉換模組、一處理器以及一編碼器，其中該訊號轉換模組用以將該光學偵測訊號轉換為一量測資料特徵值，該處理器用以接收該量測資料特徵值以及一設定資料特徵值，並傳輸至該編碼器，該設定資料特徵值由該設定資料轉換，該編碼器用以對該量測資料特徵值進行編碼為一量測編碼資料，該編碼器用以對該設定資料特徵值進行編碼為一設定編碼資料；以及 一控制模組，傳輸該設定資料於該高功率雷射源，且該控制模組連接該訊號處理裝置，其中該編碼器用以傳輸該量測編碼資料與該設定編碼資料至該控制模組，且該控制模組依據該設定編碼資料與該量測編碼資料，以判定該高功率雷射源是否停止運作。
- 如申請專利範圍第1項所述的雷射保護系統，其中該光學擴散元件由多孔隙材質所製成。
- 如申請專利範圍第1項所述的雷射保護系統，其中該訊號轉換模組包含一解碼器，該解碼器用以對該設定資料進行解碼為該設定資料特徵值。
- 如申請專利範圍第1項所述的雷射保護系統，其中該訊號轉換模組包含一功率放大器，該光學偵測訊號用以通過該功率放大器產生該量測資料特徵值。
- 如申請專利範圍第1項所述的雷射保護系統，其中該高功率雷射源包含一光纖與一接頭，該光纖連接該接頭。
- 如申請專利範圍第5項所述的雷射保護系統，更包括： 一外殼，該外殼連接該接頭，且該外殼包覆該光學擴散元件與該光偵測器。
- 如申請專利範圍第1項所述的雷射保護系統，更包括： 一電路板，該光偵測器與該訊號處理裝置分別配置於該電路板之上。
- 如申請專利範圍第1項所述的雷射保護系統，其中該控制模組包括一解碼器與一處理器，該解碼器連接該處理器，該解碼器用以對該設定編碼資料與該量測編碼資料進行解碼，以得到該量測資料特徵值以及該設定資料特徵值，該處理器依據該設定資料特徵值，判斷該量測資料特徵值是否異常。
- 如申請專利範圍第1項所述的雷射保護系統，其中該光偵測器為一光二極體。
- 一種功率量測保護方法，用於一高功率雷射系統，其中該高功率雷射系統包括一高功率雷射源，該高功率雷射源具有一設定資料特徵值，該功率量測保護方法包括以下步驟： 藉由一光學擴散元件衰減一第一雷射光之雷射功率而為一第二雷射光； 藉由一光偵測器偵測該第二雷射光以取得一光學偵測訊號； 藉由一訊號轉換模組以將該光學偵測訊號轉換為一量測資料特徵值； 藉由一處理器接收該量測資料特徵值與該設定資料特徵值並傳輸至一編碼器； 藉由該編碼器對該量測資料特徵值與該設定資料特徵值進行編碼，並將編碼後之一量測編碼資料與一設定編碼資料傳輸至一控制模組；以及 該控制模組依據該設定編碼資料與該量測編碼資料，以判定該高功率雷射源是否停止運作。
- 如申請專利範圍第10項所述的功率量測保護方法，其中所述藉由該光學擴散元件衰減該第一雷射光之雷射功率而為該第二雷射光的步驟，包括以下步驟： 採用一多孔隙材質製作該光學擴散元件；以及 藉由該多孔隙材質，使該第二雷射光之雷射功率小於該第一雷射光之雷射功率。
- 如申請專利範圍第10項所述的功率量測保護方法，其中所述藉由該訊號轉換模組以將該光學偵測訊號轉換為該量測資料特徵值的步驟，包括以下步驟： 使該光學偵測訊號通過一功率放大器，以產生該量測資料特徵值。
- 如申請專利範圍第10項所述的功率量測保護方法，其中所述藉由該處理器接收該量測資料特徵值與該設定資料特徵值並傳輸至該編碼器的步驟之前，包括以下步驟：： 該控制模組用以傳輸一設定資料於一解碼器；以及 藉由該解碼器，對該設定資料進行解碼為該設定資料特徵值並傳輸至該處理器。
- 如申請專利範圍第10項所述的功率量測保護方法，其中所述該控制模組依據該設定編碼資料與該量測編碼資料，以判定該高功率雷射源是否停止的步驟，包括以下步驟： 對該設定編碼資料與該量測編碼資料進行解碼，以得到該設定資料特徵值與該量測資料特徵值； 依據該設定資料特徵值，判斷該量測資料特徵值是否異常；以及 若判斷該量測資料特徵值異常，停止該高功率雷射源。
- 如申請專利範圍第10項所述的功率量測保護方法，更包括： 藉由該控制模組傳輸一設定資料，以設定該高功率雷射之雷射功率；以及 藉由該高功率雷射源發出該第一雷射光。
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