TWI790806B

TWI790806B - 飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法及系統

Info

Publication number: TWI790806B
Application number: TW110141008A
Authority: TW
Inventors: 賈世璿; 周律廷; 鍾東霖
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2023-01-21
Also published as: TW202320437A

Abstract

一種飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法及系統，以控制色散及驅動電流調控非線性展頻過程產生連續光譜峰值可調飛秒光源，並達到(1)在調整峰值時維持功率恆定或(2)在任一固定光譜峰值下可調整頻譜寬度；系統包含飛秒雷射種子光源、驅動電流控制器調控輸出光源之光譜及能量，色散控制器控制光脈衝時域寬度並固定光路位置，透過紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組達到控制輸出波長之效果，使之可往長/短波長分別調整紅/藍移；波長選擇模組可濾出需要之波包，另外驅動電流控制器搭配色散調整器可同時最佳化輸出波包之頻譜紅藍移及頻寬。

Description

飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法及系統

一種簡易飛秒可調光纖雷射光源技術與系統，運用於生醫光電與雷射光學，可應用任何具有調整雷射波長需求之飛秒應用，著重於生醫影像與材料感測。

現有商用飛秒可調雷射光源多為非光纖之固態雷射系統，以最大宗使用光源--鈦藍寶石雷射為例，搭配光參量震盪器雖可達到連續波長可調(波長可調範圍大致為七百至一千三百奈米)之雷射光源，但是其總系統價格將高達二十五萬元美金；此系統價格主要源於非光纖固態雷射系統所使用之泵浦源與所需之精密環境狀況監測控制，而維護費每年維護單價為三至五萬美金，主要源於相關配置需要專門人員的精密調校；因此，基於非光纖固態雷射系統的相關應用發展不易，其成本提高應用端使用門檻及維護成本需求，進而相關使用多停留在高階實驗室、基礎研究、或高單價應用市場中。

現有技術用於鈦藍寶石雷射通常需要波長約為五百三十二奈米之雷射作為幫浦光源，此光源須為品質非常良好之雷射光並須具備高輸出功率；另外現有技術內為自由空間(free-space)光路，因此許多生產商必須花費大量成本設計腔體與機構，使得其系統之穩定度足以讓非光學專業之使用者操作並進行波長調控，也因此其系統架設成本相當高昂，若是需要搭配光參量震盪器，其更需要精密之光路准直，並且此先前系統仍須於光學專門之環境使用。

另外，利用拉曼紅移光孤子效應之現有技術，可發展成紅移可調式光譜傳換模組產生飛秒可調雷射光源，但是其只能連續性調整波長之紅移(波長變長)，雖其仍有藍移，但是其波包範圍不能調控；利用自相位調製效應之現有技術，雖可發展成可同時紅移藍移可調光譜傳換模組產生飛秒可調雷射光源，但是其目前使用之光源調控模組使的其輸出光在不同波長下變化極大，同時其單一波包寬度也不能調控。

在生物醫學及材料檢測上頻譜寬度可調光源很重要，光譜的波長及頻寬可調性可以為檢測訊號(例如熒光)提供優化；而不同材料有不同的交互作用截面頻譜，另外在生物醫學中在不同的環境中訊號(例如熒光)可能具有不同的激發；因此，光譜可調性可以在最佳化訊號強度的情況下減輕樣品上的損壞(例如熒光中的光漂白和光損傷)。

所以，開發一種可模組化方便維護且系統成本低、對於環境溫濕度與震動之高寬容性、光源系統之緊湊性及穩定連續可調波長及頻寬之飛秒脈衝實為重要。

有鑒於此，本發明之可調光源，可以以驅動光源之中心波長(如：摻鐿光纖雷射為一千零二十五奈米左右)，往長波長與短波長調控波長；進一步利用調整色散，更可以做到在確認之可調範圍內，輸出的脈衝皆為穩定且功率變化差異小。

本發明一種飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法及系統可產生恆定功率，其系統包含：一飛秒雷射種子光源(此申請書中以飛秒光纖雷射為例，但任何飛秒光源皆可)，輸出一光源；一色散控制器，連接該飛秒雷射種子光源，該色散控制器使一光路位置或/及一光點大小維持穩定不變，達到在不改變其他輸入參數下即能控制一脈衝時域寬度，達到控制一輸出波長功能之目的；一紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組(光譜轉換模組)，連接該色散控制器，該光譜轉換模組為提供波長擴展之媒介，飛秒光脈衝皆可藉由此模組轉換波長，並可往長波長與短波長分別調整紅移與藍移，其轉換之輸出結果如【圖2】所示；以及一波長選擇模組，連光譜轉換模組，該波長選擇模組可單獨過濾出需要之波包(如【圖2】方框內光譜波包)，並且過濾不需要之其餘波長光。

本系統波長可連續調整之高強度短脈衝(脈衝時間寬度為飛秒：10^-15秒)雷射光源，其一實現功能為可連續調整不同波長輸出，或以此調整至某一個紅移藍移頻率最佳值；而輸出平均功率為獨立參數不與所調整之波長連動(輸出平均功率不與頻率紅移及藍移量成正比)。

在有該色散控制器輔以一驅動電流控制器下，本系統所產生之波長可連續調整或最佳化之高強度短脈衝(脈衝時間寬度為飛秒：10^-15秒) 雷射光源，其一實現功能為在調整至一輸出中心波長時，所輸出頻寬可為獨立參數不與所調整之波長連動，可調頻寬的認定透過時域上脈衝轉換極限寬度(transform-limited duration)決定其涵蓋範圍與比率，調整須能使輸出可調脈衝轉換極限時域寬度變化超過10%，在使用同一紅移藍移可調光纖式光及特定該輸出中心波長情況下，輸入脈衝時間長度與輸出脈衝頻寬呈負相關，與輸出功率呈正相關。

本系統主要應用情境為使用光纖雷射系統(驅動光源)，由於其光路可為全光纖式，光路可輕易彎折，因此驅動光源之體積可被縮小至長寬高加起來為一公尺以內；另外本技術使用額外的小段光纖作為波長調控模組，其長寬高約為二十公分以內。

較佳的，本發明使用光纖非線性實現基於飛秒雷射之光譜可調式光源：利用光纖自相位調製使的光譜展寬，配合濾波片分別濾出位於展頻範圍藍移及紅移最外側的波包，以達到寬頻可調的效果。

較佳的，該色散控制器以及驅動電流控制器包含在一般飛秒雷射所需之控制單元，但可提供或不提供連續驅動電流或色散可調之功能；因此此兩調控模組可與雷射包裹成單一系統，調整輸出脈衝之非線性，以達到預期之輸出規格；此外，本系統不必然須於雷射外再加上一輸入功率穩定器，而可達成波長可調之恆定輸出功率飛秒光纖雷射系統，並能提供相對緊湊、穩定、低保養與經濟成本之系統優勢。

針對單純光譜紅移與藍移之調控並且達到輸出功率恆定，本發明利用色散控制器控制色散部分搭配紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組(光譜轉換模組)，訂定色散調整器所需提供輸入該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組之色散值；(1)色散控制器主要提供二階色散以輸入控制脈衝時域寬度與峰值功率，進而達到【0009】之效果，而所紅藍移頻率與飛秒雷射種子光源中心頻率差約與輸入光譜轉換模組前之輸入脈衝寬度平方成反比；(2)需可調色散最大值計算：利用雷射輸出光譜(頻率域)透過傅立葉轉換得出時域上脈衝轉換極限寬度(transform-limited duration)；輸入之二階色散調控的最大值將與脈衝轉換極限寬度成正比，(舉例而言：使用轉換極限為100fs之脈衝，則所需調控之二階色散最大值將落於±(100fs)²的十分之一至十倍之間)；(3)使用色散控制器調控頻譜峰值位移的同時，其不同頻譜峰值之波包(【圖2】虛線框中部份)頻寬可隨之改變，並且與輸入脈衝寬度及淨輸入脈衝二階色散絕對值呈負相關，如【圖2】與【圖3】(舉例而言：使用色散控制器加入淨6000fs²之色散產生峰值於920奈米之波包其頻寬約為50奈米，而加入淨4200fs²之色散產生峰值於800奈米之波包其頻寬約為70奈米)；(4)色散控制器主要功能為控制光脈衝之二階色散並在調整時能保持輸入於紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組之光點位置及大小恆定不變，但通過後光脈衝的功率及高階色散依據所選用色散控制器的不同可能會些許改變，不必然保持恆定。

本發明利用驅動電流控制器調控電流狀況搭配光譜轉換模組以達到下列效果：(1)驅動電流控制器改變飛秒種子光源之受激輻射產生條件，以此調整種子光源輸出之雷射功率、頻譜及/或色散，達到控制輸入脈衝之目的；(2)驅動電流控制器，作為一必要調控元件，可先調整至一最佳工作值，此最佳工作值目的為最佳化【0009】或在有輸入功率穩定器之下達到最佳化【0010】之效果；(3)驅動電流控制器也可提供除了上述色散控制器外另一個調整輸入脈衝的自由度，在與色散控制器相配合的情況下，使得能(i)達到【0009】效果時進一步穩定輸出功率，(ii)在任意輸出峰值時皆可達到【0010】效果；(4)驅動電流控制器也可以單獨使用，其作用類似【0004】中之功率調節模組，達到【0012】之效果，而此時紅移/藍移頻譜位移量將與所施加之電流改變量成正相關。

較佳的，在可調光纖式光譜轉換模組(光譜轉換模組)前可加入輸入功率穩定器，來(1)輔助色散控制器達到恆定輸出脈衝功率的效果，也可以(2)輔助色散控制器及驅動電流控制器達到在固定輸出頻譜中心波長的情況下可自由調整輸出頻譜寬度。

本發明不是透過調控耦合至光纖式光譜轉換模組之平均功率來達到波長連續可調效果(先前技術)，因此可以使輸出光平均功率保持一致，穩定度將會大幅提升。

透過調整波長轉換模組輸入脈衝之三階非線性，可控制紅移及藍移光譜之對稱，能藉此優化紅移或藍移頻譜，或讓輸出之紅移及藍移光平均功率保持一致。

本系統將可用於任何需要特定波長脈衝之應用，如特定分子激發所需特定波長之光源進行激發之優化，並且於調整波長中，穩定輸出功率將可以大幅避免樣本損傷抑或是定量分析上的偏誤；而調整色散的量則可依不同應用需求作調控，並利用光譜儀確認目前輸出波長位置(【圖2】虛線框中光譜峰值)是否為對應目標需求之最佳波段，並且左右波段皆可應用。另外光纖式光譜轉換模組為模組化以方便維護，同時為可替換式以利用不同模組優化輸出功率、頻寬、光譜峰值；例如【圖3】所示：利用 NL-1050-ZERO-2光纖，輸入脈衝約為85fs，調整色散至6000fs²左右，即可獲得約920奈米(左邊光譜)之波長光，對於需要此波長的應用，例如生醫用螢光標定綠色螢光蛋白(GFP)，即可調至此處做激發；如需對矽材料進行測定，可調整靜色散至4500fs²左右，即可利用1150奈米左右的光(右邊光譜)做測定；而如需目標含有多種需要激發之標定，即可於當下調控色散/驅動電流致需要的波段做應用。

在調整至一紅藍移波長下可調頻譜寬度之功能為先前技術所沒有，其應用在進階優化光與材料交互作用之頻率響應，例如綠色螢光蛋白之激發光譜峰值為920奈米，而其激發光譜之半高全寬約為80奈米，此時產生可調頻寬且峰值波長為920奈米之光源，即可最佳化綠色螢光蛋白之雙光子螢光訊號。

本發明為基於調控進入波長轉換模組之飛秒脈衝之時域寬度以調整擴展光譜程度達到調整輸出光波長的效果，利用此方法改善現階段使用飛秒雷射與光纖非線性輸出波長可調之不同波長功率不一、及潛在輸出穩定度不佳之問題。

本發明基於色散控制器與雷射驅動電流控制器達成以下主要特色：

(1)穩定輸出不同波長之功率：利用色散控制器連續調整輸入光的脈衝時域寬度，本方法能減少可調波長與輸出功率連動，舉例而言，在只有色散控制器的情況下，最高與最低輸出功率差別不高於20%，如【圖5】所示；而之前利用改變輸入功率之技術所輸出之光源功率與紅移/藍移量成正比，調整至不同波長時輸出功率差別可達50%以上甚至更多。

(2)穩定的光纖耦合：由於雷射的熱效應，若照在光纖表面功率不同每次調整波段都需要對光纖耦合做優化。而本發明在調整波長過程中，由於輸入光平均功率不為可調參數，光纖耦合效率不太會受到影響；而前案利用調整脈衝能量的方法將犧牲偶和穩定性，甚至可能破壞波長轉換模組。

(3)更緊湊之光源系統：此二控制器可輕易包裹於驅動雷射內，相較於先前技術須於驅動雷射後再加入功率控制器，本系統可使整體系統更緊湊，能量損耗率更少及空間占比更小。

(4)固定所調整波長下光源頻譜寬度也可透過改變色散與雷射驅動電流自由調整，將可針對應用需求調整所需之光源頻寬以最佳化應用效果。

1:飛秒雷射種子光源

2:驅動電流控制器

3:色散控制器

4:輸入功率穩定器

5:紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組

6:波長選擇模組

7:電控系統

51:光子晶體光纖

21:泵浦雷射二極體

10:深藍光

20:綠色光

30:黃色光

40:紅色光

【圖1】可同時紅移藍移可調波長及頻寬飛秒脈衝系統示意圖

【圖2】經自相位調製之光譜轉換模組輸出光譜示意圖

【圖3】不同GDD的左/右瓣的頻譜峰值示意圖

【圖4】光強度擴展之光譜波包示意圖

【圖5】功率恆定之波長可調波包示意圖

【圖6】可調之波包頻寬示意圖

【圖7】實施例示意圖

【圖8】脈衝時域寬度示意圖

【圖9】在調製特定峰值波長下可調頻寬之頻寬對應輸出功率圖

為能讓貴審查委員能更瞭解本發明之技術內容，下文為介紹本發明之最佳實施例；各實施例用以說明本發明之原理，但非用以限制本發明。

本發明一種飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法及系統可產生恆定功率，利用一光纖非線性做連續可調光源轉換，達到維持固定輸出脈衝能量下調控輸出可調控光譜峰值與頻譜寬度之光源；如【圖1】所示，其系統包含：

一飛秒雷射種子光源1，輸出一光源；

一驅動電流控制器2，連接該飛秒雷射種子光源1，該驅動電流控制器2輔佐一色散控制器3使用，可調控輸入(一紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5)光源之峰值功率與時域脈衝形狀，進而控制一雷射光源輸出之一光譜；

該色散控制器3，連接該飛秒雷射種子光源1，該色散控制器3使一光路位置或/及一光點大小維持穩定不變，主要利用改變光脈衝二階色散控制一脈衝時域寬度，達到控制一輸出波長功能之目的；

一輸入功率穩定器4，為輔助作用，連接該色散控制器3，該輸入功率穩定器4配合該色散控制器3及該驅動電流控制器2，能控制及固定輸出之頻譜波長、功率、或寬度功能之目的，亦可使該光路位置或/及該光點大小維持穩定不變；

該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5(光譜轉換模組)，為可替換式，連接該色散控制器3與該輸入功率穩定器4，該光譜轉換模組5為提供波長擴展之媒介，飛秒光脈衝皆可藉由此模組轉換波長，其輸出如【圖2】所示，並可往長波長與短波長分別調整紅移與藍移，如【圖3】所示；以及

一波長選擇模組6，連光譜轉換模組5，該波長選擇模組6可過濾出需要之波包並且過濾不需要之其餘波長光，如濾出【圖2】中之虛線部分，並且依照不同紅移藍移程度可達成如【圖4】所示之效果，深藍光10、綠色光20、黃色光30及紅色光40。

較佳的，該飛秒雷射種子光源1可包含一飛秒雷射震盪器或該飛秒雷射震盪器再串接一個或一個以上飛秒雷射放大器，其中一雷射增益介質可為固態晶體、固態非晶體(例如光纖)、半導體材料等。

較佳的，該色散控制器包含一平移台，可利用電控或手動系統調控一控制色散元件之間距離或穿透厚度達到控制色散之效果。

較佳的，該色散控制器3包含一電控平移台，如【圖7】所示，可利用一電控系統7控制該控制色散元件(例如：反射式或是穿透式光柵對、稜鏡對)，調控元件之間距離達到控制色散之效果，並且可透過該電控平移台達到精準連續控制光脈衝色散(啁啾)，進而達成連續可調之輸出波長。

較佳的，該控制色散元件可以是但不僅是光柵對、稜鏡對、啁啾鏡、高色散材料、光纖光柵、可改變厚度之透明材料、主動空間光調制系統及主動聲光調制系統。

較佳的，該光譜轉換模組5包含耦合該光纖所需之一光聚焦元件(譬如透鏡或凹面鏡)、一光路調整器、一非線性介質(一段光纖)，及一准直器。在該光譜轉換模組5的輸入及/或輸出端可各佐以波片及極化片控制光極化。

較佳的，該波長選擇模組6為可濾出特定波長之元件組合，包含但不限於：複數個帶通、低通、長通光學濾波片、共振可調材料，及一可調濾片架；也可使用一稜鏡或/及一光柵達到一位置可調之特定寬度狹縫(可隨需要濾出之光譜帶寬調整)使特定波長可通過。

較佳的，該波長選擇模組包含手動或/及自動替換光濾波片方式，具橫向式或/及旋轉式移動方式。

本發明一種飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法及系統，如【圖1】所示，其方法步驟如下：

S1.由一飛秒雷射種子光源1，產生一雷射光源；

S2.一驅動電流控制器2依該雷射光源，調控該飛秒雷射種子光源1功率，進一步輸出一可調頻率及頻寬光譜，並具有控制輸出功率之功能；

S3.該光譜經一色散控制器3使一光路位置或/及一光點大小維持穩定不變，因此在不改變其他輸入參數下即能透過引入色散控制一脈衝時域寬度，達到輸出該可調頻率及頻寬光譜但維持輸出功率一致功能之目的；

S4.一紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5(光譜轉換模組)，接收經過該色散控制器3一光譜，該光譜轉換模組5為提供波長擴展之媒介，轉換輸入光脈衝之光譜，並可往長波長與短波長分別調整紅移與藍移；以及

S5.經一波長選擇模組6過濾出需要之波包並且過濾不需要之其餘波長光；例如：可利用長通與短通光學濾片，根據位移之波長位置，選用波段接近之濾片，紅移波包使用截止波長小於波包峰值之長通濾片；而藍移波包使用截止波長大於波包峰值之短通濾片。(如：利用1025奈米中心波長之飛秒種子光源1，當藍位移至峰值波長八百六十奈米，則選用九百奈米短通濾片，將此波段濾出；紅位移至峰值波長為一千一百一十奈米，則選用一千一百奈米長通濾片)

上述實施例中，該被選擇光譜可在該光譜轉換模組5前加入在一輸入功率穩定器4，達到在不改變其他輸入參數下，恆定輸出功率之目的。

本發明一種飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法及系統，採用一調控非線性方式實現連續調整波長但不改變輸出平均功率的功能之方法，為將主要透過連續引入色散，調整輸入光的該脈衝時域寬度及光峰值強度，並維持輸入平均功率不變，而光強度與所產生之自相位調製成正比，越強自相位調製產生較多頻譜紅移及藍移，以此對應於不同波長轉換的效果；因此在該脈衝時域寬度(色散)改變而不改變輸入平均功率的情況下，輸入光強度將與輸入該脈衝時域寬度成負相關，但輸出光平均功率在不改變輸入平均功率的情況下大致不會改變，以實現連續調整波長但不改變輸出平均功率的功能，如【0009】所提之功能，如【圖5】所示。

本發明一較佳實施例，如【圖5】所示，使用一光子晶體光纖51為例，可達成濾出波包之功率恆定性，本系統之功率浮動性與先前非光纖技術(以使用飛秒鈦藍寶石雷射系統為例)相近；本系統解決了在利用一光纖非線性(一自相位調制效應)下光源輸出功率不一的問題，這將導致靠近驅動光源波長之脈衝功率可能過小而無法使用，進而達成【0009】所包含之功能。

本發明一較佳實施例，一種飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法，利用該光纖非線性(光纖自相位調制效應)並主要控制輸入色散改變該脈衝時域寬度與峰值強度，輔以輸入光纖平均功率微調，以達到波長連續可調、平均功率不隨調整波長連動之效果，如【0009】所提。

上述中，該光纖自相位調制效應提供了波長連續可調的機制，其輸出效果如【圖2】所示；飛秒光在該光纖中傳播，輸出頻譜會較輸入頻譜往短波長與長波長拓展；一光頻譜展寬量與輸入光纖的光強度(單位面積下的峰值功率)成正比，如果該光頻譜展寬主要是由該光纖自相位調制效應產生，該光譜能量將大部分落在展寬最遠的兩個頻率波包(【圖2】虛線框中部分)，將這兩個頻譜波包濾出，利用調整輸入光強度可達到波長可調光源的效果，如【圖5】所示。

較佳的，通過前述兩項技術(該調控非線性之方式以及該光纖自相位調製效應)可改變輸入該脈衝時域寬度，達到該輸出一頻譜寬度改變之效果，而輸出頻譜寬度與輸入該脈衝時域寬度呈負相關。

較佳的，本發明可達到之恆定且穩定之該頻寬連續可調，如【圖5】所示，利用於本系統之可調光源，可以以驅動光源之中心波長(如：摻鐿光纖雷射為一千零二十五奈米左右)，往長波長與短波長調控波長；加上調整色散，本技術可以做到在確認之可調範圍內，輸出的脈衝皆為穩定且功率變化不大。

較佳的，本發明中之飛秒可調雷射光源為波長可連續調整之高強度短脈衝(脈衝時間寬度為飛秒：10^-15秒)雷射光源。

較佳的，本發明中之飛秒可調雷射光源為其不同波長輸出平均功率應為獨立參數不與所調整之紅藍移量連動。

本發明一較佳實施例，一種飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬系統可產生恆定功率，有別於先前技術其腔體內部為自由空間光路(例如鈦藍寶石雷射加光參量震盪器)，需要非常精準的光路准直且每隔固定時間必須由專人進行校準；本系統調整波長及頻寬利用光纖化技術節省了雷射元件成本及定期為腔體元件與光路作保養的複雜性維護需求。

較佳的，本發明之波長調控裝置藉由該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5，只需將該雷射光聚焦於該光纖即可，具有體積小且低成本性質；如果本系統利用飛秒光纖光源作為飛秒種子光源1，可提供小體積低成本飛秒可調光源解決方案。

較佳的，本系統採模組化設計，可抽換式模組方便維護；例如若該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5需要更換時，可縮短至十分鐘內快速更換，大幅降低整體維護所需時間，此更換的目的除了故障維修外，利用不同紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組(譬如更換其中非線性光纖種類與光纖長度)可進一步擴展可調波長範圍及可調頻譜寬度。

較佳的，本系統基於光纖雷射原本之良好散熱特性，本驅動光源不須額外溫濕度控制，經過測試至少於室溫二十三至三十度、濕度三十至七十百分比情況下皆可正常運作。

較佳的，本系統對於外部震動也相對不敏感，只需一主動調控鏡座輔以回饋控制即可即時回復震動所導致的影響。

較佳的，本系統可使用光纖雷射系統作為驅動光源，其光路可為全光纖式，因此光路可輕易彎折；驅動光源之體積可被縮小至長寬高加起來為一公尺以內。

較佳的，本系統使用額外的小段光纖作為波長調控模組，其長寬高約為二十公分以內(甚至可小至五公分以內)，大幅減輕使用者在環境上規劃的壓力與顧慮。

較佳的，本系統藉由使用不同之該光譜轉換模組5，可達到較佳能量轉換效率，使得可調波長範圍同時可連續往長與短調整，而可濾出之連續可調光譜紅移及藍移加總能量可超過總光纖輸出能量之30%以上。

本發明一較佳實施例，如【圖7】所示搭配一電控平移台，其中一飛秒雷射種子光源1，由一驅動電流控制器2控制一泵浦雷射二極體21來調控一雷射輸出之一光譜(對應於其光脈衝時域轉換極限寬度)；另外，一色散控制器3可為任何形式可控制色散之元件，此實施例主要為兩個光柵，並利用該電控制平移台之一電控系統7來控制兩個光柵之間的距離，即可調控一光脈衝色散(改變一脈衝時域寬度)；上述為調整進入一光子晶體光纖51之非線性效應，進而控制一紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5輸出之後的一可調波長與一可調頻寬範圍(圖中入射光脈衝行進示意為虛點線)，出了該光子晶體光纖51之後為可調不同波長之雷射光；最後出光可用一波長選擇模組6，選出需要之一脈衝光波長作為使用；在該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5前亦可串接一極化分光器來控制輸入極化及功率。

該色散控制器3提供可調控之二階色散(色散值單位為fs²)，加上原本雷射種子光源輸出脈衝之色散，淨二階色散絕對值越小脈衝越窄(單位為飛秒fs)、此時經過該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5時非線性越高，達到頻率紅移藍移量增加之效果；上述實施例中如【圖8】所示，為單純使用稜鏡對或穿透/反射式光柵對為例之該色散控制器3調控進入該光譜轉換膜組5之該脈衝時域寬度，以此依據可預估需要調控的距離調整不同二階色散值，兩稜鏡、光柵之間距離越長，所給負色散越大，當淨二階色散絕對值越小該脈衝時域寬度越短，在經過該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5時可達到越大之非線性，頻率紅移藍移範圍越大。

較佳的，本系統基於該色散控制器3、該驅動電流控制器2調變之功率恆定波長可連續調變光源，通過調控非線性之方法搭配該紅移藍移光纖式光譜轉換模組5達到可連續、同時紅移與藍移如【圖3】所示，【圖4】中以不同代號代表不同色散控制濾波後之光頻譜；本系統該光纖輸出之該光譜在長波長與短波長部分將聚集大部分的輸出能量，進而達到高能量轉換效率；可以清楚了解，在不同頻率波段光強度(圖中移至長波長及短波長波包顏色)幾乎維持一致，此一調控方式可同時往紅移與往藍移。

上述中，該調控方式為藉由該色散控制器3、該驅動電流控制器2，調整不同脈衝啁啾(色散值，單位為fs²)或是該脈衝時域寬度(縱軸部分)，可達到不同光譜展寬之效果；色散越少、該脈衝時域寬度越短、非線性越大，而非線性越大可以使光譜展寬範圍越寬。

上述中，可利用該波長選擇模組6，其包含長通與短通波長濾波片或帶通濾波片，基於【圖2】中連續可調光譜，獨立出擴展之光譜波包，做連續可調光譜，如【圖3】所示，並且其效果如【圖4】所示，同樣顏色代表此兩波包隸屬於同一擴展光譜，可同時或個別被濾出使用。

較佳的，該色散控制器3或該驅動電流控制器2可互相搭配或擇一使用，使得該光譜轉換模組5及該波長選擇模組6產生恆定功率之不同紅/藍移光譜光源(恆定：最大與最小功率值不超過40%)或能調整頻譜寬度，最窄與最寬頻寬超過20%。

本發明另一實施例，一種飛秒脈衝可同時紅移藍移調波長及頻寬之方法及系統，進一步可產生同時紅移藍移並且固定頻譜峰值但可改變頻譜寬度之方法，其調整頻譜寬度方法步驟如下：

A1.由一飛秒雷射種子光源1，產生一雷射光源；

A2.一驅動電流控制器2控制該雷射光源，進一步輸出一光譜，以達到調控該雷射光源光譜及脈衝形狀的目的；

A3.該光譜經一色散控制器3使一光路位置或/及一光點大小維持穩定不變，達到在不改變其他輸入參數下即能控制一脈衝時域寬度，達到控制一輸出波長功能之目的；

A4.一輸入功率穩定器4可調節輸入一紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5(光譜轉換模組)之光功率，並使該光路位置或/及該光點大小維持穩定不變，並以一脈衝功率達到控制該輸出波長功能之目的，並且可搭配該色散控制器3共同控制脈衝峰值強度；

A5.該光譜轉換模組5接收該色散控制器3、該驅動電流控制器2及該輸入功率穩定器4調控之輸入該光譜與脈衝，藉由在控制不同色散下可改變輸入脈衝時域寬度，此時可找到一輸入功率固定擴展之光譜中心波長，而輸出波包頻譜寬度與輸入脈衝時域寬度呈負相關，達到【0010】之效果(色散加入越多、輸入脈衝在時域上越寬、需要較大輸入功率固定擴展光譜中心波長，經模組轉換後輸出頻譜寬度越窄、但是輸出功率越高)；以及

A6.一波長選擇模組6過濾出需要之波包並且過濾不需要之其餘波長光。

較佳的，通過前述兩項技術(該調控非線性之方式以及該光纖自相位調製效應)在固定輸入光強度(單位面積下的峰值功率)下調整該脈衝時域寬度(色散)與輸入光平均功率，可達到輸出光中心波長趨向不變，而該頻譜寬度會改變，如【0010】所提之特性；雖然在特定一輸出中心波長情況下，輸出光譜頻寬越大則輸出功率越小，如【圖9】，但以此可同時達到一頻寬連續可調之功能，如【圖4】、【圖6】所示。

較佳的，如【圖6】所示，本系統之可調波包峰值位置之主要控制因素為耦合光峰值功率與脈衝時域上寬度，使用不同脈衝能量與時域寬度的搭配，達到同樣波峰之波包產生不同頻寬的效果；可利用同時使用該色散控制器3、該驅動電流控制器2、該輸入功率穩定器4所提供之三個自由度達成，使得可同時調整輸出脈衝的波長及頻寬，達到【0010】所提之效果；在使用同該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5(譬如同一種類及長度一光子晶體光纖51)及特定該輸出中心波長情況下，輸入時域脈衝越短則輸出脈衝頻寬越大，且輸出功率越小，如【圖9】；例如：採用SC-975光子晶體光纖，基於調整啁啾(實線)與耦合能量(虛線)調整展出之光譜波包之半高全寬；此兩種調控方式之間的距離即為在此波長下之波包可調整之頻譜寬度範圍，此範圍以雙鍵號表示；此可調頻寬將可提供使用者客製化的調控需求，進而達成於不同波長部分皆可調整脈衝時域寬度；此外，可以利用不同的該紅移藍移可調光纖式光譜轉換模組5(譬如更換其中非線性光纖種類與光纖長度)進一步擴展可調波長範圍、輸出功率、及可調頻譜寬度。

本發明一實施例，該光譜轉換模組5利用一光脈衝在該光纖中之自相位調制效應，產生光譜非線性展寬達到其輸出不同於輸入脈衝頻譜的目的，該光譜轉換模組5包含一或一根以上光纖，可切換不同種類及長度光纖使用。

較佳的，該光譜轉換模組5在同一光纖下之可調波長紅移藍移量與輸入脈衝峰值功率成正比、與輸入脈衝時域寬度成負相關，而所輸出頻寬與輸入脈衝寬度呈負相關。

應當理解的是，本發明的上述具體實施方式僅僅用於示例性說明或解釋本發明的原理，而不構成對本發明的限制。因此，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。此外，本發明所附權利要求旨在涵蓋落入所附權利要求範圍和邊界、或者這種範圍和邊界的等同形式內的全部變化和修改例。