TWI413322B - 用於可調式脈衝雷射源方法和系統 - Google Patents

Description

用於可調式脈衝雷射源方法和系統

本發明係大致關於可調式雷射源，而更明確地係關於可調式脈衝雷射源的方法與系統。

本發明係大致關於可調式雷射源的領域。更明確地，本發明係關於一種提供高功率脈衝雷射源(有用於諸如修整「trimming」、標記「marking」、切割「cutting」以及焊接「welding」等工業運用)的方法與設備。僅藉由例示，發明已被實施在一具有即時可調之特徵(包括脈衝寬度、峰值功率、重複率以及脈衝波形)的雷射源上。然而，本發明保有較廣的應用性且可以應用在其他雷射源上。

脈衝雷射源(例如Nd：YAG雷射)已被應用來執行使用雷射的材料製程之運用(諸如標記、雕刻、微切削以及切割)。根據運用與將被處理之材質，適當地挑選不同的雷射脈衝特徵(包括脈衝寬度、脈衝重複率、峰值功率或能量、以及脈衝波形)以針對特定運用。許多現行的高功率脈衝雷射(例如，具有高於每脈衝0.5mJ的脈衝能量)依賴諸如Q開關(Q-switching)與鎖模(mode locking)技術好產生光脈衝。然而，此種雷射製造以共振腔設計、鏡面反射率等等預先決定其特徵的光脈衝，且通常不能在沒連累雷射性能情況下作變動。一般是難以運用此類雷射實現脈衝特徵的 範圍變動。

因此，習知技術中需要具有可調式脈衝特徵的脈衝雷射源。

根據本發明，提供大致相關於可調式雷射源之領域的技術。更明確地，本發明係關於一種提供高功率脈衝雷射源(可應用於諸如修整、標記、切割以及焊接等工業)的方法與設備。僅藉由例示，本發明已被實施在一具有即時可調之特徵(包括脈衝寬度、峰值功率、重複率以及脈衝波形)的雷射源上。然而，本發明保有較廣的應用性且可以應用在其他雷射源上。

根據本發明之一實施例，提供一可調式脈衝雷射源。可調式脈衝雷射源包括一適於產生晶種訊號的晶種源與光循環器。光循環器包括連結至晶種源的第一埠、第二埠以及第三埠。可調式脈衝雷射源同時包括具有第一側邊與第二側邊特徵的調幅器(amplitude modulator)。其第一側邊連結至光循環器的第二埠。可調式脈衝雷射源更包括具有輸入端與反射端(包括譜域反射濾器)特徵的第一光放大器。輸入端連結至調幅器的第二側邊。此外，可調式脈衝雷射源包括連結至光循環器之第三埠的第二光放大器。

根據本發明之另一實施例，提供一供應一或更多脈衝雷射的方法。此方法包括在光循環器的第一埠提供晶種訊 號、傳送晶種訊號給調幅器的第一側邊，以及傳送晶種訊號穿過調幅器以定義第一次通過調幅器。此方法亦包括時域濾除晶種訊號，用以提供脈衝。時域濾除包括調整調幅器的驅動訊號。此方法更包括應用第一光放大器放大脈衝，以及頻域濾除放大的脈衝以提供光譜濾除的脈衝。此外，此方法包括傳送光譜濾除的脈衝穿過調幅器，以定義第二次通過調幅器，以及時域濾除放大的光譜濾除脈衝以提供中型脈衝。時域濾除包括調整調幅器的驅動訊號。此外，此法包括利用第二光放大器放大中型脈衝。

利用本發明可比習知技術達到許多好處。例如，根據本發明之一實施例中，提供適於雷射製程的高功率脈衝雷射，且其所利用之簡潔結構，使其比具有比得上其執行特徵之雷射便宜。此外，本發明之實施例中，產生具有即時可調式脈衝特徵的短脈衝且同時維持脈衝之間的穩定性。此外，根據本發明之一實施例中，可以調整光脈衝好針對特定運用最佳化其脈衝波形，或是最大化雷射系統中的能量擷取效率。根據之上的實施例，可能存在一或更多這些優勢。這些與其他優勢已在本說明書全文(且更特定於之下)描述。將參照實施方式與之後的附圖更完整地察知本發明許多額外的目的、特徵以及優點。

第1圖是根據本發明之一實施例的一使用光纖放大器 之高功率脈衝雷射(具有可調式脈衝特徵)的簡化概要圖式。高功率脈衝雷射100包括一用以產生一晶種訊號(其被注入光循環器120之第一埠114)的晶種源110。根據本發明之一實施例，係利用一連續波(continuous wave,CW)半導體雷射的晶種源110來產生光學晶種訊號。一特定實施例中，CW半導體雷射係布拉格光纖光柵(fiber Bragg grating,FBG)穩定的半導體二極管雷射(具有20 mW的輸出功率且運作在波長1032 nm下)。另一特定實施例中，CW半導體雷射係外加共振腔半導體二極管雷射(具有100 mW的輸出功率且運作在波長1064 nm下)。輸出功率可能低於或高於100 mW。例如，輸出功率可以是50 mW、150 mW、200 mW、250 mW等等。替代的實施例中，晶種訊號由小型固態雷射(solid-state laser)或光纖雷射產生。一熟悉技術的人士將會了解有許多變化、修改與選擇。

經過光循環器120之後，晶種訊號從循環器120之第二埠122離開然後撞上光學調幅器130之第一側邊132。習知技術中有許多知名的循環器且可從許多供應商獲得，例如來自Caldwell,NJ之OFR Inc.，型號OC-3-1064-PM的產品。

光學調幅器130通常保持在「關閉」狀態，在此狀態中撞上調幅器的訊號不會被傳遞出去。根據本發明之實施例，光學調幅器提供振幅調變、晶種訊號之時域濾除以及放大自發輻射(amplified spontaneous emission,ASE)濾除。一特定實施例中，光學脈衝的長度決定於光學調幅器 130的運轉，該調幅器可能是在波長1064 nm下具有大於3GHz頻寬之APE類型的鈮酸鋰馬赫任德調幅器(Lithium Niobate Mach-Zehnder modulator)。

根據本發明之實施例，光學調幅器130是電光馬赫任德類型(Mach-Zehnder type)的調幅器，其提供足以產生短光學脈衝的頻寬。其他實施例中，光學調幅器130是具有合適於振幅轉換器之相位或頻率的相位或頻率調幅器，諸如邊緣光濾除器(edge optical filter)、截止調制器(extinction modulator)或聲光調制器(acousto-optic modulator)。例如，電光相位調幅器可對光學信號引發一頻擾，當光學訊號經過短或長距離傳入光學濾除器時，該頻擾會被轉換進入振幅調變。當沒有電子訊號應用於電光相位調幅器時，光學訊號將最好以遭受高損失的波長為其特徵。當電子訊號應用於電光相位調幅器時，光學訊號最好經歷波長改變或頻擾(以低光學損失數值為其特徵)。

為了傳遞晶種訊號，光學調幅器130脈動至「打開」狀態以便第一次沿著光路136產生光學脈衝。光學調幅器130產生的光學脈衝之脈衝寬度以及脈衝波形，經由應用在光學調幅器130上的調幅器驅動信號所調控。光學脈衝接著第一次穿過第一光放大器150，並在那裡被放大。根據本發明之實施例，由隨著時間變化之驅動訊號所驅動的調幅器，其提供晶種訊號的時域濾除，因而產生具有預定脈衝特徵(包括脈衝寬度、脈衝波形以及脈衝重複率)的雷射脈 衝。

根據本發明之一實施例，光放大器150是一光纖放大器。應用在本發明實施例的光纖放大器，包括(但不限於)摻雜稀土元素的單層纖殼，雙層纖殼或甚至多層纖殼光纖。應用在此類光纖放大器的稀土元素摻雜物包括鐿(Ytterbium)、鉺(Erbium)、鈥(Holmium)、鐠(Praseodymium)、銩(Thulium)或是釹(Neodymiun)。一特定實施例中，所有應用在構件光放大器150的光纖零件均利用維持極化的單膜光纖。

參照第1圖，應用光纖放大器的實施例中，泵浦142透過光耦合器140連結至摻雜稀土元素的光纖迴路144。通常，應用半導體泵激雷射(semiconductor pump laser)當作泵浦142。一熟悉技術的人士將會了解有許多變化、修改與選擇。替代的實施例中，光放大器150係一固態放大器，其包括(但不限於)固態桿狀放大器、固態盤狀放大器或氣體增益介質(gaseous gain media)。

一特定實施例中，光放大器150包括一長度五米之摻雜稀土元素的光纖144，其中心直徑大約4.1 μm，且以大約4x10²⁴ 離子數/立方公尺的摻雜密度摻雜鐿。放大器150也包括一泵浦142，該磊浦是一FBG穩定的半導體雷射二極管(運作在976 nm波長且具有100 mW輸出功率)。輸出功率可以低於或高於100 mW。例如，其可以是50 mW、150 mW、200 mW、250 mW、300 mW、350 mW、400 mW等等。另 一特定實施例中，泵浦142是以大約915 nm波長運作的半導體雷射二極管。又另一特定實施例中，泵浦142是以450 mW或更高的輸出功率運作之半導體雷射二極管。一特定實施例中，放大器150也包括一連結於光耦合器140(係波長分波多工「wavelength-division multiplexing,WDM」泵浦結合器)的泵浦。

從光放大器150出現的訊號沿著光路148接著撞上一反射構造146，而被反射回到光放大器150。訊號第二次經過光放大器150，其中訊號被放大了。反射構造146執行雷射脈衝與經過光路148的放大自發輻射(ASE)之譜域濾除。因此，晶種訊號遭受放大與時域調整(經過調幅器130)兩者，以及從反射構造146反射之後的譜域濾除。

一實施例中，反射構造146係布拉格光纖光柵(FBG)，其在光纖中直接顯露應用當作光放大器150。FBG的周律與光柵特徵被選來提供想要的反射係數是技術中眾所皆知的。僅以一特定實施例當作範例，反射構造146是一FBG，其具有超過90%如此高的反射係數與相當符合晶種源110之輸出的核心波長與譜寬。

從光放大器150出現的訊號沿著光路136撞上一光學調幅器130(其接著第二次脈動至「打開」狀態好讓入射脈衝通過)的第二側邊134。根據本發明的實施例，光學調幅器130之第二次「打開」脈衝的時間，與調幅器130第一次打開(第一「打開」脈衝)一致，以便考量訊號經由放大器150 與反射構造146的傳遞時間。從光學調幅器130之第一側邊出現之後，增強的脈衝接著進入光循環器120的第二埠122，然後從光循環器120的第三埠116沿著光路148離開。

訊號接著在經過第二光放大器160時被增強。如討論於第1圖，本發明的實施例利用光纖放大器當作光放大器160，其包括一透過一光耦合器152連結至摻雜稀土元素之光纖迴路156的泵浦154。通常，應用半導體泵激雷射作為泵浦154，即便光放大器的抽吸作用可以藉由熟悉技術人士明白的其他工具而達成。一特定實施例中，第二光放大器160包括長度5公尺的摻雜稀土元素光纖156，其中心直徑大約4.8 μm且以大約6x10²⁴ 離子數/立方公尺的摻雜密度摻雜鐿。放大器160也包括一泵浦154，其是一FBG穩定的半導體雷射二極管(以976 nm波長運作且具有500 mW輸出功率)。另一特定實施例中，第二光放大器160包括長度2公尺的摻雜稀土元素光纖156，其中心直徑大約10 μm且以大約1x10²⁶ 離子數/立方公尺的摻雜密度摻雜鐿。光纖長度可以短於或長於2公尺。例如，其可以是1.0公尺、3.0公尺、3.5公尺、4.0公尺、4.5公尺、5.0公尺等等。放大器160也包括一多模態泵浦154，其是一具有5 W輸出功率的半導體雷射二極管。輸出功率可以低於或高於5 W。例如，其可以是3 W、4 W、6 W、7 W、8 W、9 W、10 W等等。

另一特定實施例中，為了傳遞晶種訊號，光學調幅器130脈動一次而不是兩次。光學調幅器130調至「打開」狀 態好產生沿著光路136傳導之脈衝的上升緣。此信號接著透過光放大器150第一次增強。此信號接著撞上反射構造146然後透過光放大器150第二次增強。現在從光放大器150出現的信號且沿著光路136撞上光學調幅器130的第二側邊134，調幅器接著調至「關閉」狀態。因此藉由時間區間(光學調幅器130維持在「打開」狀態)扣掉傳送時間(信號經過放大器150與反射裝置146)得到了脈衝寬度。

雖然第1圖描述使用單一光放大器160連結至光循環器120的第三埠，但這不是本發明必須的。替代的實施例中，複數的光放大器以合適於特定應用的方式，用在光循環器120下游。一熟悉技術的人士將會了解有許多變化、修改與選擇。

第2圖是根據本發明之一實施例所描述之高功率脈衝雷射中不同位置的電子與光學脈衝之簡單時序圖。僅藉由例示，第2圖描述反覆送至調幅器的電子驅動信號之時間以及傳撥在第1圖描述之實施例中的光脈衝。在一電子觸發210之後，第一電子驅動訊號220被應用在調幅器好產生光脈衝240。在某些傳送的延遲之後，光信號250第一次經過光放大器。光信號260接著撞上反射裝置然後第二次經過光放大器(造成光信號250的第二次訊號)。光脈衝240接著第二次經過調幅器，其係以光脈衝240第二次電子驅動第一電子驅動訊號220。最後，在某些傳送延遲之後光脈衝230從循環器的第3埠離開。

第3圖係一根據本發明之一實施例所提供連續雷射脈衝之方法的簡單圖示。該方法包括提供一晶種訊號(310)。本發明之實施例中，可由一半導體雷射在1064 nm波長下提供晶種訊號。該方法亦包括第一次穿越調幅器的晶種訊號傳送(320)。本發明之實施例中，可藉由一光循環器或其他光連結工具的幫助將晶種訊號連結至調幅器。該方法更藉由第一次對調幅器應用一驅動信號，而提供晶種訊號的時域濾除(330)。藉由光放大器增強脈衝(340)然後以頻域濾除(350)。因此，在描述於第3圖的系統之一時期提供一光譜濾除的脈衝。

可以理解，能在不悖離描述於此的實施例之範圍，應用放大器與頻域濾除裝置的許多組合。例如，可以在脈衝增強之前或之後實行頻域濾除。此外，可以在第一次脈衝放大之後與第二次脈衝放大之前實現頻域濾除，如同發生在雙趟(double-pass)光放大器一樣。此外，該方法包括第二次傳送光訊號穿越調幅器(360)，與藉由第二次對調幅器應用驅動訊號而提供脈衝訊號的時域濾除(370)。在第二次經過調幅器之後，放大的譜域與時域濾除之脈衝會被視為中型脈衝。本發明之實施例中，藉由在第一次經過調幅器時調節晶種訊號，然後接著在第二次經過調幅器時限制晶種訊號而產生光脈衝。

使用本發明之實施例，可提供高功率脈衝雷射源，其可以產生具有獨立可調脈衝特徵(包括脈衝寬度、峰值功率 與能量、脈衝波形以及脈衝重複率)的光脈衝流。僅藉由例示，本發明之一特定實施例在第二光放大器160之輸出170傳送輸出脈衝，該輸出脈衝以每脈衝超過5 μJ、10 ns的脈衝寬度以及10 kHz的重複率被輸出。當然，替代的實施例提供其他脈衝特性。例如，脈衝能量可以是1 μJ、10 μJ、20 μJ、30 μJ等等。脈衝時間係在一定數值範圍內，例如在2 ns與150 ns之間。脈衝重複頻率係在一定數值範圍內，例如在0至500 kHz之間。

上述之實施例中，利用一CW晶種源與使用調幅器120執行提供雷射脈衝之時域濾除。然而，這不是本發明所必需的。替代之實施例中，調節晶種訊號好提供不是CW晶種訊號的脈衝晶種訊號。提供能夠降低由晶種洩漏引發之寄生訊號增長，且能夠增加晶種源的操作功率範圍的脈衝晶種訊號。例如，脈衝晶種輸出功率可以是200 mW、500 mW或甚至1W。替代之實施例中，脈衝晶種訊號可以具有相等或長於整體脈衝雷射源之所欲脈衝寬度的脈衝寬度。脈衝晶種也可以增加晶種雷射之有效線寬(effective linewidth)好降低激發布里隆散射(Stimulated Brilouin Scattering,SBS)。

根據本發明之實施例，提供的方法與系統導致連續性光脈衝的產生，其在時間上可能無法平均地分離。此外，以預定之方法個別地修改不同脈衝之間的脈衝寬度與脈衝能量。再者，可以理解雖然上文描述討論單一光脈衝之產 生，本發明之實施例藉由多次地反覆單一脈衝而提供多重脈衝之產生。這些多重脈衝可能包括隨意的光脈衝順序。

雖然已經以特定實施例與其特別例子描述本發明，可以理解其他實施例也會落在本發明的精神與範圍內。因此本發明之範圍應該由所附之專利申請範圍與其均等之最大範圍決定。

100‧‧‧高功率脈衝雷射

110‧‧‧晶種源

112‧‧‧晶種源

114‧‧‧第一埠

116‧‧‧第三埠

120‧‧‧光循環器

122‧‧‧第二埠

130‧‧‧光學調幅器

132‧‧‧第一側邊

134‧‧‧第二側邊

136、148‧‧‧光路

140、152‧‧‧光耦合器

142、154‧‧‧泵浦

144、156‧‧‧光纖迴路

146‧‧‧反射構造

150‧‧‧第一光放大器

160‧‧‧第二光放大器

170‧‧‧輸出

210‧‧‧觸發

220‧‧‧第一電子驅動訊號

230、240‧‧‧光脈衝

250、260‧‧‧光學訊號

310、320、330、340、350、360、370‧‧‧步驟

第1圖係根據本發明一實施例的高功率脈衝雷射(具有利用光纖放大器之可調式脈衝特徵)的簡化概要圖示；第2圖係根據本發明一實施例所描述之高功率脈衝雷射中不同位置之電子與光學脈衝的簡化時序圖；以及第3圖係根據本發明一實施例所提供連續雷射脈衝之方法的簡化圖示。

100‧‧‧高功率脈衝雷射

110‧‧‧晶種源

112‧‧‧晶種源

114‧‧‧第一埠

116‧‧‧第三埠

120‧‧‧光循環器

122‧‧‧第二埠

130‧‧‧光學調幅器

132‧‧‧第一側邊

134‧‧‧第二側邊

136、148‧‧‧光路

140、152‧‧‧光耦合器

142、154‧‧‧泵浦

144、156‧‧‧光纖迴路

146‧‧‧反射構造

150‧‧‧第一光放大器

160‧‧‧第二光放大器

170‧‧‧輸出

Claims (31)

1. 一種可調式脈衝雷射源，其包括：一晶種源，其適於產生一晶種訊號；一光循環器，其中該光循環器包括一連結至該晶種源的一第一埠、一第二埠以及一第三埠；一調幅器，其特徵為具有一第一側邊與一第二側邊，其中該第一側邊係連結至該光循環器的第二埠；一第一光放大器，其特徵為具有一輸入端與一反射端，其中該輸入端係連結至該調幅器的第二側邊；以及一第二光放大器，其連結至該光循環器的第三埠。
2. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該晶種源包括一半導體雷射。
3. 如申請專利範圍第2項所述之可調式脈衝雷射源，其中該半導體雷射包括一以布拉格光纖光柵(fiber Bragg grating,FBG)穩定的半導體雷射。
4. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該晶種源包括一固態雷射或一光纖雷射之至少一者。
5. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該調幅器包括一適於執行該晶種訊號之時域傳送濾除的 馬赫任德干涉調幅器(Mach-Zehnder interferometric amplitude modulator)。
6. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該第一光放大器包括一光纖放大器。
7. 如申請專利範圍第6項所述之可調式脈衝雷射源，其中該光纖放大器包括一雙趟(double-pass)光纖放大器。
8. 如申請專利範圍第6項所述之可調式脈衝雷射源，其中該光纖放大器包括一摻雜稀土元素的光纖。
9. 如申請專利範圍第8項所述之可調式脈衝雷射源，其中摻雜在該摻雜稀土元素的光纖之稀土元素包括一種或多種稀土元素的一混合物。
10. 如申請專利範圍第9項所述之可調式脈衝雷射源，其中該一種或多種的稀土元素包括一種或多種的鐿、鉺、鈥、鐠、銩或是釹。
11. 如申請專利範圍第6項所述之可調式脈衝雷射源，其中該光纖放大器包括一單層、雙層或是多層纖殼的光纖設計之至少一者。
12. 如申請專利範圍第11項所述之可調式脈衝雷射源，其中該光纖放大器包括一可維持極化的光纖。
13. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該第一光放大器包括一摻雜稀土元素的桿狀光放大器或是一摻雜稀土元素的盤狀光放大器之至少一者。
14. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該第二光放大器包括一第二光纖放大器。
15. 如申請專利範圍第14項所述之可調式脈衝雷射源，其中該第二光纖放大器包括一摻雜稀土元素的光纖。
16. 如申請專利範圍第15項所述之可調式脈衝雷射源，其中摻雜在該摻雜稀土元素的光纖之稀土元素包括一種或多種稀土元素之一混合物。
17. 如申請專利範圍第16項所述之可調式脈衝雷射源，其中該一種或多種的稀土元素包含一種或多種的鐿、鉺、鈥、鐠、銩或是釹。
18. 如申請專利範圍第14項所述之可調式脈衝雷射源， 其中該第二光纖放大器包括一單層、雙層或是多層纖殼的光纖設計之至少一者。
19. 如申請專利範圍第18項所述之可調式脈衝雷射源，其中該第二光纖放大器包括一維持極化的光纖。
20. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該第二光放大器包括一摻雜稀土元素的桿狀光放大器或是一摻雜稀土元素的盤狀光放大器之至少一者。
21. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該反射端包括一譜域反射濾器。
22. 如申請專利範圍第21項所述之可調式脈衝雷射源，其中該譜域反射濾器包括一布拉格光纖光柵(fiber Bragg grating,FBG)。
23. 如申請專利範圍第21項所述之可調式脈衝雷射源，其中該譜域反射濾器的一反射頻譜實質上與該晶種源的一輸出頻譜匹配。
24. 如申請專利範圍第1項所述之可調式脈衝雷射源，其中該調幅器係適於執行晶種訊號的譜域傳送濾除。
25. 如申請專利範圍第24項所述之可調式脈衝雷射源，其中該調幅器的一傳送頻譜實質上與該晶種源的一輸出頻譜匹配。
26. 一種提供一或多個雷射脈衝之方法，該方法包括；在一光循環器之一第一埠提供一晶種訊號；傳送該晶種訊號給一調幅器的一第一側邊；傳送該晶種訊號通過該調幅器以界定一第一次經過該調幅器；時域濾除該晶種訊號以提供一脈衝，其中時域濾除包括為該調幅器而調節一驅動訊號；利用一第一光放大器增強該脈衝；頻域濾除該增強的脈衝以提供一譜域濾除的脈衝；傳送該譜域濾除的脈衝通過該調幅器以界定一第二次經過該調幅器；時域濾除該增強的譜域所濾除之脈衝，以提供一中型脈衝，其中時域濾除包括為該調幅器而調節該驅動訊號；以及利用一第二光放大器增強該中型脈衝。
27. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該晶種訊號係利用一以FBG穩定的半導體雷射所產生之一雷射訊 號。
28. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該調幅器包括一馬赫任德干涉調幅器。
29. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該第一光放大器包括一雙趟光纖放大器。
30. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中頻域濾除該增強的脈衝包括利用包含一布拉格光纖光柵(FBG)的一譜域反射濾器。
31. 如申請專利範圍第26項所述之方法，其中該第二光放大器包括一單趟(single-pass)光纖放大器。