TWM469131U - 光纖式脈衝雷射系統 - Google Patents

Description

光纖式脈衝雷射系統

本創作係有關於一種雷射系統，特別係關於一種光纖式脈衝雷射系統，該光纖式脈衝雷射系統係使用控制電路直接驅動，比傳統雷射具有更好的光學結合同軸度，且體積更微小而輕巧可攜帶。

雷射微加工裝置常用於各種微加工工作，例如光電產品修復。在該種雷射裝置中，一雷射光源產生脈衝，被定位及聚焦在一工件上以執行處理工作。為了等間隔目標(targets)的高速準確處理，雷射以大概對應於連接間距的脈衝率被產生脈衝，且一光學開關被用以選擇脈衝以僅燒斷被選擇的連接。因為雷射光源係以一接近固定的速率***作，脈衝能量係前後一致，其係處理能力所必須的。脈衝可在目標相對於一雷射脈衝的運動期間被產生。諸如上面確認者之傳統的處理系統通常需要以不同的雷射光源之脈衝產生、脈衝選擇、及用以處理連接或類似的微結構之光束傳送。

然而大部分雷射脈衝裝置免不了鏡片的機械夾持、高精度平移台。近年來發現雙脈衝雷射應用的優點，就是利用主副脈衝在時間上的調制，可以來輔助或強化雷射在各領域作用上的品質。舉凡利用單一強脈衝讓加工光熱破壞，而加工時會有小碎渣(debris)產生反向壓力。若輔助一 可蒸發汽化碎渣的雷射，則可來提高加工品質。但傳統式光學雷射調變雙脈衝延遲方法(光學脈衝雷射)，係使用出極精準光分光結合方式，再利用調整延遲光路(delay line)，來控制光學上的延遲程度。

根據文獻Opt.Lett.25,357-363，該文獻指出與傳統式光學脈衝雷射比較，光纖脈衝雷射係使用電路訊號直接驅動延遲以產生脈衝。基於全光纖式雷射在內部全反射傳輸的優點，光纖脈衝雷射比傳統雷射有更好的光學結合同軸度，且體積更微小而輕巧可攜帶，此外，由於電路設計使用雙驅動源搭載微控制器，雙驅動模組個別產生兩個脈衝的輸出，經由控制器來準確出光達到延遲效果。這種搭載直接種子源訊號雙驅動的模組，強化且簡易了雷射應用的彈性。

美國專利第6,541,731號提出光束結合以提供具不同極化之多重工作光束或一結合光束。在某一實施例中，一電光調變器表現為用作一脈衝拾取器。美國專利申請公開案第2003-0151053號提出一種使用同步電子裝置及一觸發延遲來結合來自兩個雷射之雷射脈衝的方法。美國專利申請公開案第2004-0134894號亦提出一種使用延遲觸發來結合來自兩個雷射之雷射脈衝(或產生緊密間隔之脈衝之一序列)的方法。對光學放大器起作用之種子脈衝之所述組態具有標準設計，因為結合器具有低效率。

上述專利及公開案提供一些優點以便於實施其特定應用，但其光學結合同軸度與體積仍有很大的改善空間。職是之故，有必要提出一種光纖式脈衝雷射系統，可在光空間品質上具備著光纖雷射單模光輸出的優良特性。

本創作之主要目的在於提出一種光纖式脈衝雷射系統，該光纖式脈衝雷射系統係使用控制電路直接驅動，基於全光纖式雷射在內部全反射傳輸的好處，有比傳統雷射更好的光學結合同軸度，且體積更微小而輕巧可攜帶。

為達上述之目的，本創作提出一種光纖式脈衝雷射系統，其主要包含一全光纖雷射裝置；以及一控制電路。其中該全光纖雷射裝置包含：一雷射源，產生複數可調變脈衝雷射光；一第一光隔離器，其定位於一極化狀態下之光束路徑，用以防止該些可調變脈衝雷射光倒灌而損壞該全光纖雷射裝置本體；一高增益放大器，電性連接於該第一光隔離器者，由增益光纖所組成，用以將輸入之複數可調變脈衝雷射光之訊號放大轉為單端輸出；一第二光隔離器，電性連接於該高增益放大器，接收來自該高增益放大器輸出之放大訊號，用以防止該些已放大的可調變脈衝雷射光倒灌而損壞該全光纖雷射裝置本體；以及一雷射功率放大器，係電性連接於該第二光隔離器，用以輸出該已放大的可調變脈衝雷射光。該控制電路包含一雙驅動源與一微控制器，提供一驅動信號，用以控制該全光纖雷射裝置之調制脈衝延遲與強度輸出，該些可調變脈衝雷射光回應於該控制電路之驅動信號，並沿著極化狀態下之該光束路徑傳播。

綜上所述，本創作之光纖式脈衝雷射系統具有以下之功效：本創作之光纖式脈衝雷射系統係使用控制電路訊號直接驅動，基於全光纖式雷射在內部全反射傳輸的好處，有比傳統雷射更好的光學結合同軸度，且體積更微小而輕巧可攜帶；本創作之光纖式脈衝雷射系統之全光纖雷射裝置在纖心進 行全反射傳輸，輸出的雙脈衝特性一致，空間模態與光譜較為一致；本創作之光纖式脈衝雷射系統在功率上可調變脈衝強度，且控制上可即時程式化排程的功能，可以在工業、醫療、激發探測、光譜學分析、電漿動力學等雷射各領域上提高應用彈性。

10‧‧‧光纖式脈衝雷射系統

100‧‧‧全光纖雷射裝置

110‧‧‧雷射源

120‧‧‧可調變脈衝雷射光

120a‧‧‧光束路徑

130‧‧‧第一光隔離器

140‧‧‧高增益放大器

150‧‧‧第二光隔離器

160‧‧‧雷射功率放大器

170‧‧‧控制電路

200‧‧‧光纖式脈衝雷射系統所產生之脈衝之延遲現象

210‧‧‧第一脈衝

220‧‧‧第二脈衝

300‧‧‧雷射加工回饋機制

310‧‧‧探測器

第1圖顯示為本創作之光纖式脈衝雷射系統。

第2圖顯示為本創作之光纖式脈衝雷射系統所產生之脈衝之延遲現象。

第3圖顯示為本創作之雷射加工回饋機制。

雖然本創作可表現為不同形式之實施例，但附圖所示者及於下文中說明者係為本創作可之較佳實施例，並請瞭解本文所揭示者係考量為本創作之一範例，且並非意圖用以將本創作限制於圖示及/或所描述之特定實施例中。

因此現請參考第1圖，其為本創作之光纖式脈衝雷射系統10。本創作之光纖式脈衝雷射系統10主要包含：一全光纖雷射裝置100；以及一控制電路170。其中該全光纖雷射裝置100包含：一雷射源110；一第一光隔離器130：一高增益放大器140；一第二光隔離器150；以及一雷射功率放大器160。

該雷射源110，產生複數可調變脈衝雷射光120，較佳係為一雷射二極體。該第一光隔離器130，其定位於一極化狀態下之光束路徑120a，用以防止該些可調變脈衝雷射光120倒灌而損壞該全光纖雷射裝置 100本體。該高增益放大器140，電性連接於該第一光隔離器130，由增益光纖所組成，用以將輸入之複數可調變脈衝雷射光120之訊號放大轉為單端輸出。該第二光隔離器150，電性連接於該高增益放大器140，接收來自該高增益放大器140輸出之放大訊號，用以防止該些已放大的可調變脈衝雷射光倒灌而損壞該全光纖雷射裝置100本體。該雷射功率放大器160，係電性連接於該第二光隔離器150，用以輸出該已放大的可調變脈衝雷射光。需注意的是，該第一光隔離器130、該高增益放大器140、該第二光隔離器150及該雷射功率放大器160等整段輸出全由光纖熔接。

該控制電路170包含一雙驅動源與一微控制器，提供一驅動信號，用以控制該全光纖雷射裝置100之調制脈衝延遲與強度輸出，該些可調變脈衝雷射光回應於該控制電路170之驅動信號，並沿著極化狀態下之該光束路徑傳播。

表1顯示為本創作之光纖式脈衝雷射系統10與傳統光學式脈衝雷射系統之比較表。本創作之光纖式脈衝雷射系統10於光學上，脈衝雷射光在纖心進行全反射傳輸，輸出的雙脈衝特性一致，空間模態與光譜較為一致。相較下，傳統利用兩道雷射光空間傳播長度不同造成作用雷射時間延遲，精準度無法穩固、光譜也因有穿透式鏡片而不一。另外，若使用飛秒雷射會有傳播玻璃產生高階正色散使得雷射在脈衝寬度變寬、頻寬被鏡片減低的光譜寬化效應(beam broadening effect)。

現請參考第2圖，其顯示為本創作之光纖式脈衝雷射系統10所產生之脈衝之延遲現象。該控制電路170之雙驅動模組個別產生兩個脈衝的輸出，經由該控制電路170之微控制器來準確出光達到延遲效果。 這種搭載直接種子源訊號雙驅動的模組，強化且簡易了雷射應用的彈性。在圖2中可看到，藉由該控制電路170，光纖式脈衝雷射系統10可個別產生兩個脈衝(第一脈衝210與第二脈衝220)的輸出，經由本創作光纖式脈衝雷射系統10之全光纖雷射裝置100來準確使光達到延遲效果。須注意的是，本創作之全光纖雷射裝置100在設計方面係使用雙驅動源搭載微控制器構成一雙驅動模組，該雙驅動模組會個別產生兩個脈衝(第一脈衝210與第二脈衝220)的輸出，經由該微控制器來準確出光達到延遲效果。

此外，執行雷射加工時，利用激發探測(pump probe)的機制以探測器310進行探測，可進行最佳化雷射加工回饋機制。如圖三所示為雷射加工回饋機制300示意圖。藉由每一次加工，都可以利用第二發脈衝探測光來經由收光機制成像加工區的圖案，得知加工的品質，來修正下一次打出的能量多寡，達到最佳化加工。另外亦可利用斷層掃瞄的方式，設定好需要探測的時間點，連續打出多道不同時間延遲的探測光，來得知加工物件在被主脈衝激發剝離後整個時間演化，而利用直接電路脈衝驅動雙脈衝的方式，亦即採用本創作之光纖式脈衝雷射系統10，更可以程式化簡易設定，有別於傳統式之光學式需大幅移動光學平台，本創作只需直接控制電路驅動即可達到相同的效果。

本創作係藉由該控制電路170控制該光纖式脈衝雷射系統10之全光纖雷射裝置100之調制脈衝延遲與強度輸出。本創作之光纖式脈衝雷射系統10所產生之脈衝可發射一具有短至幾飛秒之脈衝寬度的雷射脈衝，更進一步亦可發射一具有長達幾百奈秒或更長或在其間的各種脈衝寬度範圍中之任一者之脈衝寬度的雷射脈衝。在一些實施例中，脈衝寬度可 為約10飛秒至約1皮秒、約1皮秒至約1奈秒、約1奈秒至約100奈秒或約1奈秒至600奈秒。且，本創作之光纖式脈衝雷射系統10所產生之脈衝亦可提供小至幾赫茲之重覆率，更進一步亦可以達至40十億赫茲或在其間的各種重覆率範圍中之任一者的頻率脈動。在一些實施例中，頻率可為約1赫茲至約100赫茲、約10赫茲至約1千赫茲、約1千赫茲至1百萬赫茲或約1百萬赫茲至約40十億赫茲。更大的重疊範圍亦是可能的。

另一方面，本創作之光纖式脈衝雷射系統10所產生之脈衝雷射(以下簡稱為脈衝雷射)可發射一具有一已知基本雷射波長之雷射脈衝；然而，脈衝雷射可包括諧波轉換器(諸如，一或多個非線性晶體)以將該基本波長轉換為一已知諧波波長。在一實施例中，基本波長包括(但不限於)1微米摻釹(Nd)固態雷射、光纖雷射或半導體雷射；諧波波長包括(但不限於)二次諧波、三次諧波、四次諧波及五次諧波；特定諧波波長包括(但不限於)532奈米、355奈米、266奈米及213奈米。舉例而言，亦可使用其他頻率轉換技術(諸如，光學參數振盪及拉曼位移技術)以提供諸如中紅外線之較長波長。在許多例示性實施例中，脈衝雷射及大體上為相同的脈衝雷射。在一些例示性實施例中，脈衝雷射與類似但以不同波長發射。在一些實施例中，脈衝雷射與可為不同類型之脈衝雷射。

須注意的是，在本創作中，可調變脈衝雷射光120之輸出功率可任意調整匹配、輸出光波型亦為方波/高斯光束/鋸齒波/弦波/尖端(spike)波型及其任意組合之一。

綜上所述，本創作之光纖式脈衝雷射系統具有以下之功效：本創作之光纖式脈衝雷射系統係使用控制電路訊號直接驅 動，基於全光纖式雷射在內部全反射傳輸的好處，有比傳統雷射更好的光學結合同軸度，且體積更微小而輕巧可攜帶；本創作之光纖式脈衝雷射系統之全光纖雷射裝置在纖心進行全反射傳輸，輸出的雙脈衝特性一致，空間模態與光譜較為一致；本創作之光纖式脈衝雷射系統在功率上可調變脈衝強度，且控制上可即時程式化排程的功能，可以在工業、醫療、激發探測、光譜學分析、電漿動力學等雷射各領域上提高應用彈性。

雖然本創作已以前述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作各種之更動與修改。如上述的解釋，都可以作各型式的修正與變化，而不會破壞此創作的精神。因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧光纖式脈衝雷射系統

100‧‧‧全光纖雷射裝置

110‧‧‧雷射源

120‧‧‧可調變脈衝雷射光

120a‧‧‧光束路徑

130‧‧‧第一光隔離器

140‧‧‧高增益放大器

150‧‧‧第二光隔離器

160‧‧‧雷射功率放大器

170‧‧‧控制電路

Claims (4)

1. 一種光纖式脈衝雷射系統，其主要包含：一全光纖雷射裝置；一控制電路，係連接於該全光纖雷射裝置；其中該全光纖雷射裝置包含：一雷射源，產生複數可調變脈衝雷射光；一第一光隔離器，其定位於一極化狀態下之光束路徑，用以防止該些可調變脈衝雷射光倒灌而損壞該全光纖雷射裝置本體；一高增益放大器，電性連接於該第一光隔離器者，由增益光纖所組成，用以將輸入之複數可調變脈衝雷射光之訊號放大轉為單端輸出；一第二光隔離器，電性連接於該高增益放大器，接收來自該高增益放大器輸出之放大訊號，用以防止該些已放大的可調變脈衝雷射光倒灌而損壞該全光纖雷射裝置本體；以及一雷射功率放大器，係電性連接於該第二光隔離器，用以輸出該已放大的可調變脈衝雷射光；以及該控制電路包含一雙驅動源與一微控制器，提供一驅動信號，用以控制該全光纖雷射裝置之調制脈衝延遲與強度輸出，該些可調變脈衝雷射光回應於該控制電路之驅動信號，並沿著極化狀態下之該光束路徑傳播。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光纖式脈衝雷射系統，其中該些可調變脈衝雷射光之輸出光波型為方波/高斯光束/鋸齒波/弦波/尖端波型及其任意組 合之一。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光纖式脈衝雷射系統，其中該些可調變脈衝雷射光之輸出功率可任意調整匹配。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光纖式脈衝雷射系統，其中該全光纖雷射裝置係由光纖熔接所製成。