TWI767619B - 吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源 - Google Patents

Abstract

本發明係一種吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源，包含飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、吉赫茲串列產生模組、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，其中吉赫茲串列產生模組包含第一聲光調制器、光纖耦合分光器、增益光纖、波長分波多工器、光隔離器、被動光纖、泵浦二極體雷射、第二聲光調制器，用以接收來自飛秒雷射脈衝延展器的延展脈衝光，並將延展脈衝光轉換成低重複率脈衝光而輸出至飛秒雷射放大器。因此，本發明是利用吉赫茲串列產生模組實現可靠而有效的解決方案，能同時提高串列間頻率及高能量飛秒雷射源以滿足實際應用領域中的需求。

Description

吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源

本發明係有關於一種吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源，尤其是利用包含第一聲光調制器、光纖耦合分光器、增益光纖、波長分波多工器、光隔離器、被動光纖、泵浦二極體雷射、第二聲光調制器的吉赫茲串列產生模組，搭配飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，用以接收來自飛秒雷射脈衝延展器的延展脈衝光，並將延展脈衝光轉換成低重複率脈衝光而輸出至飛秒雷射放大器，進而實現可靠而有效的解決方案，能同時提高串列間頻率及高能量飛秒雷射源，藉以滿足實際應用領域中的需求。

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，其主要原因在於飛秒雷射源可以達到「冷」加工效果，且幾乎沒有熱效應，而一般較長脈衝雷射會有熱效應，導致加工效果不佳。

請參考第一圖，飛秒雷射源脈的示意圖。一般來說，飛秒雷射源脈衝的脈衝長度本身為100-1000飛秒。飛秒雷射源脈衝具有兩種重複性的週期，其中脈衝與脈衝之間的脈衝間隔Tpulse，通常為10-50奈秒。

此外，對於由多個脈衝組成的脈衝串列(burst)，脈衝串列與脈衝串列之間的脈衝串列間隔Tburst，通常為1微秒至1000微秒(us)，脈衝串列間隔Tburst的倒數是定義為脈衝串列間頻率(inter-burst frequency)，一般飛秒雷射種子源的脈衝串列間頻率為20-100MHz。

參考第二圖，習知技術的飛秒雷射源的示意圖，習用的飛秒雷射源一般來說是由五部分組成，包含飛秒脈衝種子光源10、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。

具體而言，飛秒脈衝種子光源10產生低能量之原始脈衝光L10，其中原始脈衝光L10的脈衝重複率為20-100MHz，原始脈衝光L10的脈衝長度約為100-1000飛秒，之後，經過飛秒雷射脈衝延展器20延展為100-1000皮秒的延展脈衝光L20，再經由脈衝選擇器30的選擇處理而產生重複率降低為1-1000kHz的低重複率脈衝光L30，經過飛秒雷射放大器40的放大處理而產生高能量脈衝光L40，最後，由飛秒雷射壓縮器50進行適當飛秒壓縮處理而產生所需的飛秒脈衝光L50。

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。

已知，將串列間頻率由20-100MHz提升至1-10GHz的範圍內能更有效地應用於微細加工，而所謂更有效是指能增加每單位時間每發脈衝的材料移除量，同時還能保持冷加工的特性。因此，要如何做出1-10吉赫茲(GHz)串列的高能量飛秒雷射源，即是飛秒雷射源及工業微小加工這兩個技術領域重要的課題。

然而在習知技術中，一是直接由具吉赫茲脈衝重複率之飛秒雷射種子源進行脈衝選擇及放大，但此法需多級放大器並脈衝串列間隔由種子源決定，並不易再作工程上的調整。另法是由一20-100MHz之飛秒雷射種子源以交錯器(Interleaver)方式產生脈衝串列，但此法也需多級交錯器及放大器，系統較為複雜。換言之，目前缺乏可靠而有效的解決方案以滿足實際應用領域中同時提高串列間頻率及高能量飛秒雷射源的需求。因此，很需要一種創新的吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源，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吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源，包含飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、吉赫茲串列產生模組、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，用以產生飛秒脈衝光，當作吉赫茲脈衝串列飛秒脈衝光。

具體而言，飛秒脈衝種子光源係用以產生原始脈衝光，且原始脈衝光具有20-100MHz的脈衝重複率以及100-1000飛秒的脈衝長度，而飛秒雷射脈衝延展器係用以接收原始脈衝光後經延展而產生延展脈衝光。

此外，吉赫茲串列產生模組係用以接收延展脈衝光後，經降低重複率處理而產生低重複率脈衝光，而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，當作所需的吉赫茲脈衝串列飛秒脈衝光。

因此，本發明利用利用包含第一聲光調制器、光纖耦合分光器、增益光纖、波長分波多工器、光隔離器、被動光纖、泵浦二極體雷射、第二聲光調制器的吉赫茲串列產生模組，搭配飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，用以接收來自飛秒雷射脈衝延展器的延展脈衝光，並將延展脈衝光轉換成低重複率脈衝光而輸出至飛秒雷射放大器，進而實現可靠而有效的解決方案，能同時提高串列間頻率及高能量飛秒雷射源，藉以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。

請參考第三圖以及第四圖，分別為本發明實施例吉赫茲(GHz)脈衝串列飛秒雷射源的示意圖以及吉赫茲串列產生模組的示意圖。如第三圖以及第四圖所示，本發明實施例的吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源包含飛秒脈衝種子光源10、飛秒雷射脈衝延展器20、吉赫茲串列產生模組31、飛秒雷射放大器40、飛秒雷射壓縮器50，其中除了吉赫茲串列產生模組31以外，飛秒脈衝種子光源10、飛秒雷射脈衝延展器20、飛秒雷射放大器40、飛秒雷射壓縮器50是屬於習用技術，亦即，本發明是以吉赫茲串列產生模組31取代傳統的脈衝選擇器30。

由於飛秒脈衝種子光源10、飛秒雷射脈衝延展器20、飛秒雷射放大器40、飛秒雷射壓縮器50的技術內容已經詳細說明，所以下文中不再贅述，而只專注於說明吉赫茲串列產生模組31的技術及特點。

整體而言，本發明的特點在於利用吉赫茲串列產生模組31而由飛秒脈衝種子光源產生吉赫茲脈衝串列。其中飛秒脈衝種子光源10產生具有脈衝重複率為20-100MHz且脈衝長度約為100-1000飛秒的原始脈衝光SA，飛秒雷射脈衝延展器20將原始脈衝光SA延展而產生延展脈衝光S1後，再經過本發明吉赫茲串列產生模組31的處理而產生低重複率脈衝光S4，進一步經後續的飛秒雷射放大器40及飛秒雷射壓縮器50的處理後，產生具吉赫茲串列飛秒脈衝的飛秒脈衝光SC，其中飛秒雷射放大器40及飛秒雷射壓縮器50僅在於將吉赫茲串列脈衝由約為1-100nJ的低能量放大至約1-100uJ的工業用的高能量等級。

進一步參考`第四圖，本發明吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源中吉赫茲串列產生模組的示意圖。如第四圖所示，本發明的吉赫茲串列產生模組(GHz-burst generator)31主要是包含第一聲光調制器(acousto-optic modulator，AOM) 32、光纖耦合分光器(Fiber coupler) 33、增益光纖(Gain fiber) 34、波長分波多工器(Wavelength Division Multiplexer，WDM) 35、光隔離器(Faraday isolator) 36、被動光纖(Passive fiber) 37、泵浦二極體雷射(Pumping diode laser) 38、第二聲光調制器39，用以接收來自飛秒雷射脈衝延展器20的延展脈衝光S1，並將延展脈衝光S1轉換成低重複率脈衝光S4而輸出至飛秒雷射放大器40。

更具體而言，第一聲光調制器32、光纖耦合分光器33、是經由光纖F而依序連接，且第一聲光調制器32、第二聲光調制器39是當作光開關，用以在時域上選出所需的脈衝，並由光纖耦合分光器33提供分光功能，尤其，第一聲光調制器32接收由前級輸入並具有固定脈衝重複複率的延展脈衝光S1，經調制後產生第一調制脈衝光S2，光纖耦合分光器33接收第一調制脈衝光S2以及保偏脈衝光S37並經過內建的光纖迴路(fiber loop)後而產生、輸出分光脈衝光S3以及耦合脈衝光S33，第二聲光調制器39接收耦合脈衝光S33並經調制後產生低重複率脈衝光S4。

進一步，光纖耦合分光器33為光纖式50/50分光器，是習知技術中常見的元件，用以將第一調制脈衝光S2以及保偏脈衝光S37的任一輸入光分為分光脈衝光S3以及耦合脈衝光S33的兩道輸出光，其中分光比例可較佳的選為約50%：50%，不過也可依據實際需要而選為60/40,70/30,80/20等。要注意的是，上述的分光比例對於本發明並不是關鍵參數，只是用以方便說明本發明特點的示範性實例而已。

此外，增益光纖34可為摻鐿單模偏振保持光纖(Ytterbium doped single mode polarization maintaining fiber)，當作光放大之用，並連接至光纖耦合分光器33，用以接收光纖耦合分光器33輸出的耦合脈衝光S33，進而產生、輸出增益脈衝光S34。

再者，波長分波多工器35連接至增益光纖34以及泵浦二極體雷射38，用以接收增益光纖34輸出的增益脈衝光S34以及來自泵浦二極體雷射38的連續光S38，並經分波多工處理而產生、輸出分波脈衝光S35，其中波長分波多工器35在於提供增益光纖34之泵浦功能，而泵浦二極體雷射38為使用976nm波長之單模二極體雷射，可產生能量約300-600mW且波長為976nm的連續光S38，藉以提供能量給增益光纖34以進行光放大用。

另外，光隔離器36連接至波長分波多工器35，用以接收分波脈衝光S35，並經隔離處理後產生、輸出隔離脈衝光S36。光隔離器36可為光纖式保偏光隔離器，其作用為使分波脈衝光S35僅能由單一方向穿過，而另一方向會有極大的損耗，亦即由光隔離器36至被動光纖37的方向，其中被動光纖37可選用保偏光纖PM980，用以在1030nm波段提供保偏功能，並接收隔離脈衝光S36，並經保偏後而產生、輸出保偏脈衝光S37至光纖耦合分光器33。

特别一提的是，要注意第四圖中光的行進方向，同時參考第五圖以及第六圖的時域脈衝變化以作為對照，其中第六圖為第五圖中局部放大區域A的部分信號放大圖，藉以說明本發明中吉赫茲串列產生模組31的工作原理。

首先，可同時參考第三圖，延展脈衝光S1是由吉赫茲串列產生模組31的輸入端打入，其中延展脈衝光S1是由飛秒脈衝種子光源10產生，並具有固定之脈衝重複頻率，且脈衝與脈衝之間的脈衝間隔Tpulse均為固定，而脈衝重複頻率fpulse是由公式fpulse= 1/Tpulse而計算出。

舉例而言，脈衝間隔Tpulse一般約為10-100ns範圍內，因此，脈衝重複頻率fpulse可被計算出為約10-100MHz。一般而言，此時脈衝之能量因僅由種子光源而來，通常不高，約在0.1-10nJ的範圍內，尚不足以進行任何材料加工的應用，所以仍需經過後續飛秒雷射放大器40的放大後，才足以有足夠強度以達到破壞材料之加工作用。

經過吉赫茲串列產生模組31的第一聲光調制器32後輸出第一調制脈衝光S2，且由於第一聲光調制器32為光電開關，所以在第一控制訊號CT1為低電位狀態時，或是在一般認知為開關關閉的狀態)時，延展脈衝光S1是無法通過第一聲光調制器32，所以會產生約30-60dB的損耗。因此，在第一控制訊號CT1為低電位時，第一調制脈衝光S2並未出現，要等到在第一控制訊號CT1轉為高電位狀態時，延展脈衝光S1才可以通過第一聲光調制器32而輸出第一調制脈衝光S2。需注意的是，通過的第一調制脈衝光S2仍會有一定的損耗，通常為3-6dB不等。

此外，第一調制脈衝光S2定義出時間上的脈衝開始注入後級元件的零點。

再次參考第四圖，在第一調制脈衝光S2抵達耦合脈衝光S33後，將被分為兩道光，分光比例由耦合脈衝光S33所決定。例如，可使用分光比例為50/50的耦合脈衝光S33，因此，一半的脈衝能量會被送往第二聲光調制器39，而另一半的脈衝能量會被送進光纖迴路內，亦即增益光纖34的位置，而被放大。

增益光纖34是藉由控制摻雜濃度、光纖長度，並搭配泵浦二極體雷射38的波長或是功率來調控放大所需要的增益，由於增益光纖34的技術是屬於習知領域，因而下文中不詳細描述。此外，隔離脈衝光S36主要是讓順向的脈衝光以遠低於逆向行進的光的損耗而通過，因而達到避免於此迴路中產生反向光的效應。

再者，被動光纖37的長度可以被用來便利地調整此光纖迴路的總長度，也就是此脈衝通過此光纖迴路所需的時間t，其中時間t可以藉用公式t = L/vgroup來決定，而L為光纖之總長度，且vgroup為脈衝在此光纖裡的行進群速度。

為了理解此光纖迴路長度的關鍵因素，請參考第五圖之分光脈衝光S3。此處由於飛秒雷射種子源本身的脈衝間隔Tpulse，與脈衝於此光纖迴路中行進的時間Tloop有所不同，因此會有時間差| Tpulse – Tloop |產生。要注意的是，此時間差是可以便利地藉由調整被動光纖37的長度而調整，而且此時間差即讓我們產生串列脈衝(burst)，如第六圖所示。

在第六圖中，可發現此時間差即等於欲產生的脈衝串列之脈衝串列間隔Tburst，而且此時間差可為正也可為負，尤其兩者均為本實施例的範圍中。此外，第五圖以及第六圖所顯示的為此時間差為負的狀態，亦即，由光纖迴路產出的脈衝會於每次都稍微落後於飛秒脈衝種子光源10所送進光纖耦合分光器33的脈衝。

進一步舉例而言，可以利用習知技術的光纖熔接機以控制被動光纖37之長度，再藉由光偵側器量測分光脈衝光S3而以示波器觀察，即可得知分光脈衝光S3中的脈衝串列間隔Tburst，再予以調整。

要注意的是，第五圖僅顯示最多三發之串列脈衝，但可以輕易地由第五圖類推出於時間軸更延後的軸線上，藉以產生四、五、六、、、等等，以此類推的脈衝串列。

此脈衝串列的上限Nmax為雷射種子源脈衝間隔Tpulse 所限制，並由公式Nmax=Tpulse/Tburst-1所決定，其中脈衝串列間隔Tburst越短，則脈衝串列的脈衝數上限則越高。舉例而言，飛秒雷射種子源脈衝重複率為20MHz，則脈衝間隔Tpulse為50ns。而脈衝串列間隔Tburst為1ns如吾人訂定脈衝串列最終輸出為1GHz(吉赫)。因此可計算出max=Tpulse/Tburst-1=50ns/1ns-1=49。

接著，請參考第四圖及第五圖，此處脈衝原為分光脈衝光S3，是經過第二聲光調制器39後，藉由在第二控制訊號CT2為低電位狀態(或一般認知為開關關閉的狀態)時，此時脈衝並無法通過第二聲光調制器39，通常損耗為30-60dB。因此，在第二控制訊號CT2為低電位時，低重複率脈衝光S4並未出現。待第二控制訊號CT2轉為高電位狀態時，此時分光脈衝光S3可以通過第二聲光調制器39而輸出低重複率脈衝光S4。需注意的是，通過的脈衝仍會有一定的損耗，通常為3-6dB不等。藉由此控制，可以選出單一串列，具有吾人所需要的脈串列發數N，以送往下一級作脈衝能量放大。

此外，也可非常輕易地調整脈衝串列的發數，此發數的變數在雷射微細加工無疑是非常重要、可程式化的參數可供使用者因應不同的材料、加工速度、移除率優化等做調整。其調整方式即為調整第二聲光調制器39之第二控制訊號CT2，使其與其餘脈衝及第二控制訊號CT2同步，並且在時間上可調整。此為，可以藉由一般數位電路之習知技術即可以設計。

另外，可利用第二聲光調制器39之第二控制訊號CT2以決定所需要最終脈衝重複率fpulse，此處之fpulse會低於初始之fpulse，而且此fpulse具有一上限，其中的上限是由所需的脈衝串列數N決定。例如，所需脈衝串列數N=3，如同第五圖所示，則可以推知， fpulse必須小於或等於fpulse/3，因光纖迴路需累積3次，才能產出串列數N=3的串列。最終，低重複率脈衝光S4將被送出，並可被放大以及進行最後之壓縮處理，再送出雷射本體外以供使用者使用。

綜上所述，本發明的特點在於利用吉赫茲串列產生模組取代傳統的脈衝選擇器，並搭配飛秒脈衝種子光源、飛秒雷射脈衝延展器、飛秒雷射放大器、飛秒雷射壓縮器，用以接收來自飛秒雷射脈衝延展器的延展脈衝光，並將延展脈衝光轉換成低重複率脈衝光而輸出至飛秒雷射放大器，進而達到產生並輸出高品質吉赫茲脈衝串列飛秒的功效。

尤其，吉赫茲串列產生模組包含第一聲光調制器、光纖耦合分光器、增益光纖、波長分波多工器、光隔離器、被動光纖、泵浦二極體雷射、第二聲光調制器，藉以實現可靠而有效的解決方案，能同時提高串列間頻率及高能量飛秒雷射源，進而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 20:飛秒雷射脈衝延展器 30:脈衝選擇器 31:吉赫茲串列產生模組 32:第一聲光調制器 33:光纖耦合分光器 34:增益光纖 35:波長分波多工器 36:光隔離器 37:被動光纖 38:泵浦二極體雷射 39:第二聲光調制器 40:飛秒雷射放大器 50:飛秒雷射壓縮器 A:局部放大區域 CT1:第一控制訊號 CT2:第二控制訊號 F:光纖 L10:原始脈衝光 L20:延展脈衝光 L30:低重複率脈衝光 L40:高能量脈衝光 L50:飛秒脈衝光 S1:延展脈衝光 S2:第一調制脈衝光 S3:分光脈衝光 S33:耦合脈衝光 S34:增益脈衝光 S35:分波脈衝光 S36:隔離脈衝光 S37:保偏脈衝光 S38:連續光 S4:低重複率脈衝光 SA:原始脈衝光 SB:高能量脈衝光 SC:飛秒脈衝光 Tpulse:脈衝間隔 Tburst:脈衝串列間隔

第一圖顯示習知技術中飛秒雷射源脈衝的波形圖。 第二圖顯示習知技術的飛秒雷射源的示意圖。 第三圖顯示依據本發明實施例吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源的示意圖。 第四圖顯示依據本發明吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源中吉赫茲串列產生模組的示意圖。 第五圖顯示依據本發明實施例吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源所產生的波形圖。 第六圖顯示第五圖的局部放大示意圖。

31:吉赫茲串列產生模組

32:第一聲光調制器

33:光纖耦合分光器

34:增益光纖

35:波長分波多工器

36:光隔離器

37:被動光纖

38:泵浦二極體雷射

39:第二聲光調制器

F:光纖

S1:延展脈衝光

S2:第一調制脈衝光

S3:分光脈衝光

S33:耦合脈衝光

S34:增益脈衝光

S35:分波脈衝光

S36:隔離脈衝光

S37:保偏脈衝光

S38:連續光

S4:低重複率脈衝光

Claims (5)

1. 一種吉赫茲(GHz)脈衝串列飛秒雷射源，包括：一飛秒脈衝種子光源，係用以產生一原始脈衝光，該原始脈衝光具有一脈衝重複率以及一脈衝長度；一飛秒雷射脈衝延展器，係用以接收該原始脈衝光後經延展而產生一延展脈衝光；一吉赫茲串列產生模組，係用以接收該延展脈衝光後，經降低重複率處理而產生一低重複率脈衝光；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、輸出飛秒脈衝光，當作一吉赫茲脈衝串列飛秒脈衝光，其中該吉赫茲串列產生模組包含：一第一聲光調制器，是當作光開關，係用以接收該延展脈衝光，並經調制處理後而產生一第一調制脈衝光；一光纖耦合分光器，係用以接收該接收第一調制脈衝光以及一保偏脈衝光並經處理後而產生、輸出一分光脈衝光以及一耦合脈衝光；一增益光纖，當作光放大之用，並連接至該光纖耦合分光器，用以接收該耦合脈衝光，進而產生、輸出一增益脈衝光；一泵浦二極體雷射，係用以產生一連續光；一波長分波多工器，係連接至該增益光纖以及該泵浦二極體雷射，用以接收該增益脈衝光以及該連續光，並經分波多工處理而產生、輸出一分波脈衝光；一光隔離器，為一光纖式保偏光隔離器，係連接至該波長分波多工器，用以接收該分波脈衝光，並經隔離處理後產生、輸出一隔離脈衝光；一被動光纖，係連接至該光隔離器，用以接收該隔離脈衝光，並經保偏後而產生、輸出該保偏脈衝光至該光纖耦合分光器；以及 一第二聲光調制器，是當作光開關，係連接至該光纖耦合分光器，用以接收該耦合脈衝光，並經調制後產生該低重複率脈衝光，該第一聲光調制器、該光纖耦合分光器以及該第二聲光調制器是經由光纖而依序連接。
2. 如請求項1所述之吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源，其中該脈衝重複率為20-100MHz，以及該脈衝長度為100-1000飛秒。
3. 如請求項1所述之吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源，其中該泵浦二極體雷射為使用976nm波長之單模二極體雷射，該連續光的能量為300-600mW且波長為976nm。
4. 如請求項1所述之吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源，其中該被動光纖包含一保偏光纖，用以在1030nm波段提供該保偏功能。
5. 如請求項1所述之吉赫茲脈衝串列飛秒雷射源，其中該增益光纖包含一摻鐿單模偏振保持光纖(Ytterbium doped single mode polarization maintaining fiber)，以當作光放大之用。

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