TWI759151B - 鎖模雷射監測及控制系統 - Google Patents

Abstract

本發明係一種鎖模雷射監測及控制系統，包含飛秒脈衝種子光源、分光器、光二極體偵測器、訊號處理器、微電腦控制器、飛秒雷射脈衝延展器、脈衝選擇器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，用以實現對鎖模雷射進行監測及控制的功能。尤其，利用分光器、光二極體偵測器、訊號處理器、微電腦控制器構成控制迴路，搭配飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、脈衝選擇器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器。因此，本發明利用控制迴路而穩定飛秒脈衝種子光源的操作以達到穩定單脈衝狀態的操作點，並滿足實際應用領域中的需求。

Description

鎖模雷射監測及控制系統

本發明係有關於一種鎖模雷射監測及控制系統，尤其是利用分光器、光二極體偵測器、訊號處理器、微電腦控制器構成控制迴路，並搭配飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、脈衝選擇器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，進而穩定飛秒脈衝種子光源的操作以達到穩定單脈衝狀態的操作點，並滿足實際應用領域中的需求。

眾所周知，飛秒雷射源對於工業上微細加工(細小到微米等級)有極高的應用價值，其原因是飛秒雷射源可以達到「冷」加工效果，且幾乎沒有熱效應。反觀一般較長脈衝雷射，會有熱效應而常常導致加工效果不佳的問題。

此外，飛秒雷射源對於生醫影像也有極高的應用價值，因為飛秒雷射可以用來激發樣本裡摻入的螢光蛋白等分子，達到影像高解析、即時、熱損傷極小的影像取得方法。

一般，習知技術的飛秒雷射源是由五部分組成，包含飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、脈衝選擇器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器。

具體而言，飛秒脈衝種子光源產生低能量之原始脈衝光，其中原始脈衝光的脈衝重複率為20-100MHz，脈衝長度約為100-1000飛秒，之後，經過飛秒雷射脈衝延展器延展為100-1000皮秒的延展脈衝光，再經由脈衝選擇器的選擇處理而產生重複率降低為1-1000kHz的低重複率脈衝光，並經飛秒雷射放大器的放大處理而產生高能量脈衝光，最後，由飛秒雷射壓縮器進行適當飛秒壓縮處理而產生所需的飛秒脈衝光。

上述技術一般稱為啁啾調頻脈衝放大(Chirped pulse amplification，CPA)，是習知領域中相當常見的飛秒雷射技術，其中飛秒脈衝種子光源即為鎖模雷射(Mode-locked laser)。

一般而言，飛秒雷射源是以「鎖模雷射」(Mode-locked lasers)為主要核心。鎖模(Mode-locking)為此領域的習知技術，而所謂的鎖模是指雷射光於光的頻率軸上來看，每個出光的模態(Mode)相對之間的相位是固定的，而模態是指雷射共振腔可以容許存在的電場或是能量分佈。

承上，要達到鎖模狀態時， 由於雷射的不同光頻率之間的相對相位是固定的，因此在時域上，可以達到有效的建設性干涉(constructive interference)。換言之，時域上可以產生長度較短的能量或電場分佈，也就是可以形成短脈衝。

整體而言，鎖模雷射是以飛秒雷射的核心，因此，鎖模雷射的穩定度即是研究或是建造飛秒雷射源極重要的課題。為確保鎖模雷射穩定度的前提，必須能有效地做到以下二點：第一點，監測鎖模雷射的狀態；以及，第二點，根據第一點的狀態，再由控制系統找到最佳之操作點。

進一步而言，所謂的操作點在此定義為雷射源啟動後，應該給予雷射源多少的泵浦電流。因為泵浦電流絕大部分決定了雷射源的出光功率、光譜寬度、脈衝長度等等，這些參數均是鎖模狀態的一部分。操作點找尋的需求必須存在是由於鎖模雷射源無法免除受到所在環境物理因素的影響，例如溫度、溼度、本體元件老化等等，因此，操作點所需的泵浦電流即需要因為外在環境或是內在元件的因素而由控制系統中特定的演算法決定，使得雷射源能夠維持在同一個狀態。

然而，目前的習知技術中仍缺乏能監控鎖模雷射以維持穩定操作的可靠系統，亦即，還無法有效監控鎖模雷射的狀態，也無法很有效的找出每次開機後的操作點，導致很難大幅改善鎖模雷射以及飛秒雷射源的操作重現性及穩定度。

因此，很需要一種創新的鎖模雷射監測及控制系統，利用固定的演算法以監測、判斷鎖模雷射的狀態，並有效地找出每次開機後的適當操作點，進而提升鎖模雷射以及飛秒雷射源之操作重現性及穩定度，尤其是利用分光器、光二極體偵測器、訊號處理器、微電腦控制器構成控制迴路，並搭配飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、脈衝選擇器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，進而穩定飛秒脈衝種子光源的操作以達到穩定單脈衝狀態的操作點，並滿足實際應用領域中的需求，藉以解決上述習知技術的問題。

本發明之主要目的在於提供一種鎖模雷射監測及控制系統，包含飛秒脈衝種子光源、分光器、光二極體偵測器、訊號處理器、微電腦控制器、飛秒雷射脈衝延展器、脈衝選擇器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，用以實現對鎖模雷射進行監測及控制的功能。

具體而言，飛秒脈衝種子光源具鎖模雷射功能，係用以接收並依據泵浦電流訊號而產生並調整原始脈衝光，其中原始脈衝光具有20-100MHz的脈衝重複率以及100-1000飛秒的脈衝長度。

此外，分光器具有分光比例，係用以接收原始脈衝光後，並依據分光比例而產生並輸出第一脈衝光以及第二脈衝光。光二極體偵測器具有偵測頻寬，係用以接收第二脈衝光後，產生並輸出偵測訊號，且偵測訊號是對應於原始脈衝光的脈衝重複率，其中偵測頻寬是大於原始脈衝光的脈衝重複率。

上述的訊號處理器係接收偵測訊號，並經判斷處理後，產生、輸出數位處理訊號，其中判斷處理是包含比較偵測訊號所對應的脈衝重複率的訊號強度以及預設的比較值，並在脈衝重複率的訊號強度大於比較值時，設定數位處理訊號為邏輯高位準，且在脈衝重複率的訊號強度大於比較值時，設定數位處理訊號為邏輯低位準。

再者，微電腦控制器係接收數位處理訊號，並經雷射狀態判斷處理後，產生並輸出泵浦電流訊號至飛秒脈衝種子光源以供調整原始脈衝光。

另外，飛秒雷射脈衝延展器係用以接收第一脈衝光後，經延展而產生具脈衝重複率為100-1000皮秒的延展脈衝光，而脈衝選擇器係用以接收延展脈衝光後，經降低重複率處理而產生具脈衝重複率降低為1-1000kHz的低重複率脈衝光，且飛秒雷射放大器係用以接收低重複率脈衝光，並經放大處理後產生一高能量脈衝光，再者，飛秒雷射壓縮器係用以接收高能量脈衝光，並經壓縮處理而產生、輸出飛秒脈衝光。

因此，本發明利用分光器、光二極體偵測器、訊號處理器、微電腦控制器構成控制迴路，並搭配飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、脈衝選擇器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，進而穩定飛秒脈衝種子光源的操作以達到穩定單脈衝狀態的操作點，並滿足實際應用領域中的需求。

以下配合圖示及元件符號對本發明之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

請參考第一圖，本發明實施例鎖模雷射監測及控制系統的示意圖。如第一圖所示，本發明實施例的鎖模雷射監測及控制系統包含飛秒脈衝種子光源10、分光器11、光二極體偵測器12、訊號處理器13、微電腦控制器14、飛秒雷射脈衝延展器20、脈衝選擇器30、飛秒雷射放大器40、飛秒雷射壓縮器50，用以實現對鎖模雷射進行監測及控制的功能。

由於本發明的鎖模雷射監測及控制系統包含光訊號以及電訊號，因此在圖中是以實線代表光行進方向D1，並是以虛線代表電壓訊號傳輸方向D2，其中光行進方向D1是指系統中光訊號行進路徑的方向，而電壓訊號傳輸方向D2是指系統中電訊號行進路徑的方向。整體而言，系統中的光行進方向D1是由飛秒脈衝種子光源10依序經過分光器11、飛秒雷射脈衝延展器20、脈衝選擇器30、飛秒雷射放大器40、飛秒雷射壓縮器50，而且有一部分是由分光器11進入光二極體偵測器12，而系統中的電壓訊號傳輸方向D2是由光二極體偵測器12依序經過訊號處理器13、微電腦控制器14，並由微電腦控制器14傳送至飛秒脈衝種子光源10、脈衝選擇器30，換言之，光行進方向D1是由飛秒脈衝種子光源10開始，而電壓訊號傳輸方向D2是由光二極體偵測器12開始。

具體而言，飛秒脈衝種子光源10具鎖模雷射(Mode-locked laser)功能，用以接收並依據泵浦電流訊號BC而產生並調整低能量之原始脈衝光L10，再進一步將原始脈衝光L10傳送至分光器11，其中原始脈衝光L10的脈衝重複率為20-100MHz，且原始脈衝光L10的脈衝長度約為100-1000飛秒。原始脈衝光L10經分光器11的分光後產生第一脈衝光LA以及第二脈衝光LB，分別傳送至飛秒雷射脈衝延展器20以光二極體偵測器12。

舉例而言，分光器11可使用一種光纖耦合式的分光器(fiber coupler)，在此當作示性實例以方便說明，不過要注意的是，本發明並非受限於光纖耦合式的分光器，亦即其他具有分光作用的分光器也都應涵蓋於本發明。進一步，分光器11具有特定的分光比例，且具有輸入端、第一輸出端以及第二輸出端，其中分光器11的輸入端是連接輸入光纖而接收原始脈衝光L10，而分光器11的第一輸出端以及第二輸出端分別連接二輸出光纖，用以傳輸第一脈衝光LA以及第二脈衝光LB。舉例而言，第一脈衝光LA以及第二脈衝光LB的分光比例可為99%：1%或是95%：5%，亦即，第一脈衝光LA為較高比例的光(99%或是95%)，是送往下一級的飛秒雷射脈衝延展器20使用，而第二脈衝光LB為較低比例的光(1%或是5%)，是送往光二極體偵測器12，藉以偵測鎖模雷射狀態。

上述的第一脈衝光LA經過飛秒雷射脈衝延展器20延展為具脈衝重複率為100-1000kHz的延展脈衝光L20，再由脈衝選擇器30接收延展脈衝光L20以及泵浦電流訊號BC，且延展脈衝光L20經利用泵浦電流訊號BC而降低重複率處理後產生具脈衝重複率降低為1-1000kHz的低重複率脈衝光L30。進一步，飛秒雷射放大器40接收低重複率脈衝光L30，並經放大處理後產生高能量脈衝光L40，最後，由飛秒雷射壓縮器50接收高能量脈衝光L40，並經壓縮處理而產生、輸出所需的飛秒脈衝光L50。

此外，光二極體偵測器12具有預設的偵測頻寬，比如可包含加上逆向偏壓之光二極體或光電流轉電壓訊號放大器(Transimpedance amplifier，TIA)，且偵測頻寬是大於飛秒脈衝種子光源10所產生的原始脈衝光L10的脈衝重複率，比如50MHz，並在接收第二脈衝光LB後，產生並輸出偵測訊號LD，其中偵測訊號LD是對應於原始脈衝光L10的脈衝重複率。

再者，訊號處理器13接收偵測訊號LD，並經判斷處理後，產生、輸出數位處理訊號LP，其中判斷處理是包含比較偵測訊號LD所對應的脈衝重複率的訊號強度以及預設的比較值，並在脈衝重複率的訊號強度大於比較值時，設定數位處理訊號LP為邏輯高位準，且在脈衝重複率的訊號強度不大於比較值時，設定數位處理訊號LP為邏輯低位準。換言之，數位處理訊號LP為具有多個邏輯高位準以及多個邏輯低位準的二階數位波串訊號，通常邏輯高位準是稱作邏輯1，而邏輯低位準是稱作邏輯0。

上述的微電腦控制器14接收數位處理訊號LP，並經雷射狀態判斷處理後，產生並輸出泵浦電流訊號BC至飛秒脈衝種子光源10以供調整原始脈衝光L10。

為進一步說明訊號處理器13以及微電腦控制器14的特點，可同時參考第二圖，本發明實施例鎖模雷射監測及控制系統中鎖模雷射輸出功率以及泵浦功率的示意圖，其中鎖模雷射輸出功率是指由飛秒脈衝種子光源10所產生之原始脈衝光L10的功率。

一般而言，飛秒脈衝種子光源10所產生之鎖模雷射存在有以下四種狀態：連續波(或連續光)狀態(continuous wave，CW)、穩定鎖模多脈衝狀態(Stable mode-locking with multiple pulses，MLM)、穩定鎖模單脈衝狀態(Stable mode-locking with a single pulse，MLS以及不穩定鎖模狀態(Unstable mode-locking，UML)，而為方便以下說明，將分別以CW、MLM、MLS、UML代表。

關於CW，亦即雷射輸出光譜寬度較窄，例如1nm以下，因而在時域上，雷射並無固定重複率之脈衝，但是光二極體偵測器12可用以觀察到有模態(mode)間的拍頻(mode beating)，而該拍頻會接近雷射穩定鎖模時的脈衝重複率。由於拍頻的訊號在時間上是不穩定的，因此，當雷射是處於該狀態時，不同模態之間可能會競爭雷射放大介質的增益。此為一般雷射領域熟知知識，下文不再詳細贅述。

關於MLM，其雷射狀態為鎖模狀態，也就是在時域上雷射存在著有固定重複率之脈衝，另外，於雷射共振腔中，於同一個時間上，雷射共振腔內存在著大於一發的脈衝，此時為多脈衝穩定存在的狀態。也就是說，大於一發的脈衝(或稱為脈衝群)會於雷射出口輸出，而脈衝群與下一個脈衝群是一直重複出現的。脈衝群本身內部的時的脈衝與脈衝之時間差，可能為數百飛秒至數百皮秒均有可能。此狀態也為飛秒雷射領域熟知知識，下文不再詳細贅述。

關於MLS，其雷射狀態為鎖模狀態，也就是在時域上雷射存在著有固定重複率之脈衝，另外，於雷射共振腔中，於同一個時間上，雷射共振腔內僅存在著一發的脈衝，此時為單脈衝穩定存在的狀態。也就是說，僅一發的脈衝會於雷射出口輸出，而此單一脈衝與下一個單一脈衝是一直重複出現的。要注意的是，此狀態是我們所希望操作雷射的狀態。

關於UML•其雷射狀態為不穩定鎖模狀態，並定義為非以上三種狀態，可能為其中二種狀態之混合狀態，亦即在其中兩種狀態快速跳動。此時仍有鎖模特徵，亦即有時候仍可以於光二極體偵測器之電壓訊號取得重複率，但此訊號之穩定度不佳，無法有效使用，是必須被避免出現的狀態。

如第二圖所示，在鎖模雷射輸出功率以及泵浦功率的操作線中，特別顯示A點、B點、C點、D點、E點、F點、G點，其中A點為雷射出光閾值(Lasing threshold)，B點為連續光狀態轉為穩定鎖模多脈衝或不穩定鎖模狀態，C點為穩定鎖模多脈衝或不穩定鎖模狀態，D點為穩定鎖模單脈衝狀態之輸出功率最高的操作點，E點為穩定鎖模單脈衝狀態之中段操作點，F點為穩定鎖模單脈衝狀態之輸出功率最低的操作點，而G點為穩定鎖模單脈衝狀態轉為連續光狀態。

下文將從第二圖所示的操作線而簡單描述鎖模雷射在啟動後操作狀態的依序變化。

首先，當泵浦功率為零時，雷射輸出功率為零，而當泵浦功率由零增加時，並在超過特定之雷射出光閾值時，亦即圖中的A點，此時雷射開始出光，並且處於連續光狀態，其中雷射出光閾值是由雷射共振腔之總損耗所決定，此為習知技術，在此不作詳細說明。

當泵浦電流持續再增加時，雷射輸出功率會與泵浦電流成正比，此時的狀態是由第二圖的A點移至B點，而B點仍然為連續光狀態。當泵浦電流夠高時，雷射之輸出功率也隨著提升至某一定值，此時代表雷射共振腔內之功率，或是將產生的脈衝能量(能量為功率除以脈衝重複率)也將夠高。此時，雷射會由連續光狀態轉為鎖模狀態，亦即第二圖中B點至C點的路徑，要注意的是，此時的鎖模狀態通常為穩定多脈衝鎖模狀態或是不穩定鎖模狀態。

此外，C點之功率在相同的泵浦功率下比B點之功率高，這是由於雷射由連續光狀態轉變為鎖模狀態，而不論穩定或不穩定，其共振腔的損耗是減少的，這是由於鎖模雷射的工作原理為在雷射共振腔內加入可飽和之損耗(saturable loss)，或稱為可飽和之吸收(saturable absorption)。該技術為習知領域，此處僅簡單說明而已。

當雷射共腔振內加入上述的可飽和之損耗或是吸收元件時，其結構可為一片塗有飽和吸收材料之穿透式鏡片、塗有飽和吸收材料之反射式鏡片或是一較複雜之光學模組達到同樣效果。此種元件在雷射光強度較強時，其損耗或是吸收會減少。

因此，雷射於某個共振腔內功率下，只要當功率夠高，即有可能使此元件之損耗飽和，也就是損耗減少之意。那也就可以達到上述的狀態轉換：由連續光狀態轉為鎖模狀態，而其根本原因即為雷射源處在鎖模狀態會比處在連續光狀態，其共振腔內部之總損耗會較處於連續光狀態時小。根據雷射原理，雷射源會處在其共振腔總損耗最小之狀態。

當雷射達到C點後，為了使雷射狀態處於「穩定」並且是「單脈衝」的狀態，必需將泵浦功率逐漸往下降低。而要注意的是，由於雷射源已達到鎖模狀態，所以在泵浦功率下降時，仍會因為飽合損耗或是吸收而仍在飽和狀態，並持續使得雷射維持在鎖模狀態。

此外，在C點並且泵浦功率持續下降的過程中，鎖模狀態通常是處於不穩定或是多脈衝的狀態。如果雷射於此較高的泵浦功率下仍處於單脈衝狀態，則可想見脈衝之強度極高，將使得飽和損耗/吸收達到最大值，此時，由鎖模雷射動力學可知，雷射鎖模將不穩定。另外，共振腔內之非線性效應可能過大，也將會造成脈衝本身在共振腔內傳遞時有形變或是脈衝分裂(pulse breaking)產生。

再者，當泵浦功率逐漸往下降而降至夠低值後，雷射源將進入單脈衝之穩定鎖模狀態，如第二圖中的D點。

整體而言，如第二圖中的E點為本發明飛秒脈衝種子光源10所需的操作點，而E點本質上是位於D點、F點之間，因此，本發明的操作點明確的說是D點、F點之間的任意一點，而微電腦控制器14的雷射狀態判斷處理便是在搭配訊號處理器13的數位處理訊號LP下侕操作在D點、F點之間的操作點。

參考第三圖，本發明實施例鎖模雷射監測及控制系統中訊號處理器的示意圖。如第三圖所示，訊號處理器13包含第一電壓緩衝放大器131、第一低通濾波器132、混波器133、第二低通濾波器134、第二電壓緩衝放大器135、電壓比較器136以及參考電壓源137，用以接收偵測訊號LD後而產生數位處理訊號LP。

具體而言，第一電壓緩衝放大器131接收偵測訊號LD，並提供輸入阻抗至光二極體偵測器12，且經緩衝該偵測訊號LD後，產生電壓緩衝訊號，而提高電壓緩衝訊號的輸出電流能力。

第一低通濾波器132接收第一電壓緩衝放大器131的電壓緩衝訊號，並濾除電壓緩衝訊號中所包含的諧波成分，進而產生第一低通濾波訊號，其中諧波成分是指具有原始脈衝光L10的脈衝重複率的整倍數之頻率的訊號，主要是較低頻率的訊號，因為頻率的訊號的強度較大，而頻率愈高的訊號強度愈小，藉以有效達到低通濾波作用。

混波器133具有第一輸入端RF、第二輸入端LO以及輸出端IF，且由第一輸入端RF接收第一低通濾波訊號而當作第一訊號，並由第二輸入端LO接收第一低通濾波訊號而當作第二訊號，進而依據第一訊號以及第二訊號，進行混波處理而產生混波訊號，且由輸出端IF輸出混波訊號。

上述混波器133的混波處理是包含：判斷第一訊號以及第二訊號所對應的脈衝重複率是否為穩定或變動；在第一訊號以及第二訊號所對應的脈衝重複率為穩定且非變動時，設定混波訊號為大於0V的預設電壓值；在第一訊號以及第二訊號不具有脈衝重複率時，設定混波訊號為0V；以及在第一訊號以及第 二訊號所對應的脈衝重複率為不穩定且變動時，設定混波訊號為0V至預設電壓值之間的電壓值。

第二低通濾波器134具有遠低於原始脈衝光L10的脈衝重複率的二倍的截止頻率(cut-off frequency)，係用以接收混波訊號後，濾除大於截止頻率的成分而產生並傳送第二低通濾波訊號。第二電壓緩衝放大器135接收第二低通濾波訊號後，經緩衝放大而產生第二緩衝放大訊號，並由電壓比較器136接收後，利用參考電壓訊號進行比較，進而產生數位處理訊號LP，其中參考電壓訊號是由參考電壓源137產生，且在第二緩衝放大訊號大於參考電壓訊號時，數位處理訊號LP為邏輯高位準，而在第二緩衝放大訊號不大於參考電壓訊號時，數位處理訊號LP為邏輯低位準。

關於微電腦控制器14的雷射狀態判斷處理，可參考第四圖所示的操作流程示意圖，並參考第二圖的操作線，其中雷射狀態判斷處理是包含步驟S10、S20、S30、S40、S50、S60，用以接收數位處理訊號LP而產生泵浦電流訊號BC，供飛秒脈衝種子光源10調整原始脈衝光L10。

在步驟S10中，主要是將泵浦電流訊號BC的功率由零增加至預設的最高點，而飛秒脈衝種子光源10的雷射狀態是由連續波狀態轉為不穩定鎖模狀態或多脈衝穩定鎖模狀態。接著在步驟S20中，將泵浦電流訊號BC的功率往下調至預設的最低點，用以設定飛秒脈衝種子光源10的雷射狀態進入連續波狀態。

之後，在步驟S30中，檢查數位處理訊號LP是否為低位準，並在數位處理訊號LP為低位準時，進入步驟S40，將泵浦電流訊號BC的功率從最低點往上調升至次低點，亦即次低點是高於最低點，並接著由次低點升高至最高點，再往下調降至次低點。

然後進入步驟S50，判斷飛秒脈衝種子光源10的雷射狀態是否進入穩定單脈衝狀態，而如果未進入穩定單脈衝狀態，則進入步驟S60，升高次低點，亦即由前一次的次低點升高到更高的另一次低點，並重複進行升高次低點的操作，直到雷射狀態進入穩定單脈衝狀態為止。

整體而言，本發明是利用固定的演算法以監測、判斷鎖模雷射的狀態，並有效地找出每次開機後的適當操作點，進而提升鎖模雷射以及飛秒雷射源之操作重現性及穩定度。

綜上所述，本發明的特點在於利用分光器、光二極體偵測器、訊號處理器、微電腦控制器構成控制迴路，並搭配飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、脈衝選擇器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，進而穩定飛秒脈衝種子光源的操作以達到穩定單脈衝狀態的操作點，並滿足實際應用領域中的需求。

以上所述者僅為用以解釋本發明之較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之發明精神下所作有關本發明之任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護之範疇。

10:飛秒脈衝種子光源 11:分光器 12:光二極體偵測器 13:訊號處理器 14:微電腦控制器 20:飛秒雷射脈衝延展器 30:脈衝選擇器 40:飛秒雷射放大器 50:飛秒雷射壓縮器 BC:泵浦電流訊號 D1:光行進方向 D2:電壓訊號傳輸方向 LA:第一脈衝光 LB:第二脈衝光 LD:偵測訊號 IF:輸出端 LO:第二輸入端 LP:數位處理訊號 L10:原始脈衝光 RF:第一輸入端

第一圖顯示依據本發明實施例鎖模雷射監測及控制系統的示意圖。 第二圖顯示依據本發明實施例鎖模雷射監測及控制系統中鎖模雷射輸出功率以及泵浦功率的示意圖。 第三圖依據本發明實施例鎖模雷射監測及控制系統中訊號處理器的示意圖。 第四圖顯示依據本發明鎖模雷射監測及控制系統中雷射狀態判斷處理的操作流程示意圖。

10:飛秒脈衝種子光源

11:分光器

12:光二極體偵測器

13:訊號處理器

14:微電腦控制器

20:飛秒雷射脈衝延展器

30:脈衝選擇器

40:飛秒雷射放大器

50:飛秒雷射壓縮器

BC:泵浦電流訊號

D1:光行進方向

D2:電壓訊號傳輸方向

LA:第一脈衝光

LB:第二脈衝光

LD:偵測訊號

LP:數位處理訊號

L10:原始脈衝光

Claims (6)

1. 一種鎖模雷射監測及控制系統，包括：一飛秒脈衝種子光源，具一鎖模雷射(Mode-locked laser)功能，係用以接收並依據一泵浦電流訊號而產生並調整一原始脈衝光，該原始脈衝光具有20-100MHz的一脈衝重複率以及100-1000飛秒的一脈衝長度；一分光器，具有一分光比例，係用以接收該原始脈衝光後，並依據該分光比例而產生並輸出一第一脈衝光以及一第二脈衝光；一光二極體偵測器，具有一偵測頻寬，且該偵測頻寬是大於該原始脈衝光的脈衝重複率，係用以接收該第二脈衝光後，產生並輸出一偵測訊號，且該偵測訊號是對應於該原始脈衝光的脈衝重複率；一訊號處理器，係接收該偵測訊號，並經一判斷處理後，產生並輸出一數位處理訊號，該判斷處理包含比較該偵測訊號的訊號強度所對應的該脈衝重複率的訊號強度以及預設的一比較值，並在該脈衝重複率的訊號強度大於該比較值時，設定該數位處理訊號為一邏輯高位準，且在該脈衝重複率不大於該比較值時，設定該數位處理訊號為一邏輯低位準；一微電腦控制器，係接收該數位處理訊號，並經一雷射狀態判斷處理後，產生並輸出該泵浦電流訊號至該飛秒脈衝種子光源以供調整該原始脈衝光；一飛秒雷射脈衝延展器，係用以接收該第一脈衝光後，經延展而產生具一脈衝重複率為100-1000kHz的一延展脈衝光；一脈衝選擇器，係用以接收該延展脈衝光以及該泵浦電流訊號，且該延展脈衝光經利用該泵浦電流訊號而降低重複率，產生具一脈衝重複率降低為1-1000kHz的一低重複率脈衝光；一飛秒雷射放大器，係用以接收該低重複率脈衝光，並經一放大處理後產生一高能量脈衝光；以及 一飛秒雷射壓縮器，係用以接收該高能量脈衝光，並經壓縮處理而產生、輸出一飛秒脈衝光。
2. 如請求項1所述之鎖模雷射監測及控制系統，其中該分光器包含一光纖耦合式的分光器(fiber coupler)，且該分光器具有一輸入端、一第一輸出端以及一第二輸出端，該輸入端是經由一輸入光纖而連接該飛秒脈衝種子光源，用以接收該原始脈衝光，該第一輸出端是經由一第一輸出光纖而輸出該第一脈衝光，該第二輸出端是經由一第二輸出光纖而輸出該第二脈衝光，該分光比例為99%：1%或是95%：5%。
3. 如請求項1所述之鎖模雷射監測及控制系統，其中該光二極體偵測器包含一加上逆向偏壓之光二極體或一光電流轉電壓訊號放大器(Transimpedance amplifier，TIA)。
4. 如請求項1所述之鎖模雷射監測及控制系統，其中該訊號處理器包含：一第一電壓緩衝放大器，係用以接收該偵測訊號，並提供一輸入阻抗至該光二極體偵測器，且經緩衝該偵測訊號後，產生一電壓緩衝訊號，而提高該電壓緩衝訊號的一輸出電流能力；一第一低通濾波器，係用以接收該電壓緩衝訊號，並濾除該電壓緩衝訊號所包含的一諧波成分，而產生一第一低通濾波訊號，該諧波成分是指具有該脈衝重複率的一整倍數的一頻率的一訊號；一混波器，具有一第一輸入端、一第二輸入端以及一輸出端，且由該第一輸入端接收該第一低通濾波訊號而當作一第一訊號，並由該第二輸入端接收該第一低通濾波訊號而當作一第二訊號，進而依據該第一訊號以及該第二訊號，進行一混波處理而產生一混波訊號，且由該輸出端輸出該混波訊號；一第二低通濾波器，具有遠低於該脈衝重複率的二倍的一截止頻率(cut-off frequency)，係用以接收該混波訊號，並濾除大於該截止頻率的成分而產生並傳送一第二低通濾波訊號； 一第二電壓緩衝放大器，係用以接收該第二低通濾波訊號，經緩衝放大後產生一第二緩衝放大訊號； 一電壓比較器，係用以接收該第二緩衝放大訊號，並比較該第二緩衝放大訊號以及一參考電壓訊號，進而產生該數位處理訊號，且在該第二緩衝放大訊號大於該參考電壓訊號時，該數位處理訊號為該邏輯高位準，而在該第二緩衝放大訊號不大於該參考電壓訊號時，該數位處理訊號為該邏輯低位準；以及 一參考電壓源，係用以產生並輸出該參考電壓訊號至該電壓比較器，以當作該比較值。
5. 如請求項4所述之鎖模雷射監測及控制系統，其中該混波處理包含： 判斷該第一訊號以及該第二訊號所對應的該脈衝重複率是否為穩定或變動； 在該第一訊號以及該第二訊號所對應的該脈衝重複率為穩定且非變動時，設定該混波訊號為大於0V(伏特)的一預設電壓值； 在該第一訊號以及該第二訊號不具有該脈衝重複率時，設定該混波訊號為0V；以及 在該第一訊號以及該第二訊號所對應的該脈衝重複率為不穩定且變動時，設定該混波訊號為0V至該預設電壓值之間。
6. 如請求項1所述之鎖模雷射監測及控制系統，其中該雷射狀態判斷處理包含： 將該泵浦電流訊號的功率由零增加至預設的一最高點，該雷射狀態是由一連續光狀態轉為一不穩定鎖模狀態或一多脈衝穩定鎖模狀態； 將該泵浦電流訊號的功率往下調至預設的一最低點，用以設定該雷射狀態進入該連續光狀態； 檢查該數位處理訊號是否為一低位準； 在該數位處理訊號為該低位準時，將該最低點往上調升至一次低點，並接著由該次低點升高至該最高點，再往下調降至該次低點； 判斷該雷射狀態是否進入一穩定單脈衝狀態；以及 在該雷射狀態未進入該穩定單脈衝狀態時，升高該次低點，直到該雷射狀態進入該穩定單脈衝狀態為止。

Images