TWI377751B - All-fiber color laser and light-illuminating method thereof - Google Patents

Description

1377751 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 法本^發明儀有關於一種全光纖式彩色雷射及其發光方 '彳寸別是指〜種光纖中之光柵組會產生形變之全光纖式 •彩色雷射及其發光方法。 【先前技術】 春古年來對於光源的需求品質提高，由於雷射光源具有 问同調性與色彩飽和度，故於生物醫學量測方面具有高解 析度’而向色彩飽和度可使顯示器具有高度色彩，因此， 在里測以及顯示等應用方面，雷射仍為最佳光源之選擇。 然而’雷射光源之光學設計大多使其活性介質只產生一種 波長光源’若以此方式應用於全彩顯示器或是需要多波長 之量測系統，則需要製作多個雷射，造成成本上升以及良 率下降之問題。也因不同色光的光衰週期不一，會造成長 時間下色差情況產生。 苐1圖為習知彩色雷射顯不器之示意圖。請參閱第1 圖，第1圖係由美國專利第6764183號之「COLOR LASER DISPLAY EMPLOYING EXCITATION SOLID LASER UNIT, FIBER LASER UNIT，OR SEMI CONDUCTOR LASER UNIT」專利中之一圖式。彩色雷射顯示器l〇利用 固態雷射、光纖雷射以及半導體之方式作出紅、綠、藍三 種雷射光源，再利用各種光學元件11調配出不同比例之三 種光，並將三種光耦合在同一光軸上以達到混光之效果。 5 1377751 此種彩色雷射顯示器10不但光學元件多、架構複雜而不易 1 混光，更使彩色雷射顯示器10之體積變的龐大。也因不同 色光的光衰週期不一，會造成長時間下色差情況產生。

第2圖為另一習知雷射發光裝置之示意圖。請參閱第 2圖，第2圖係由美國專利第7277618號之「WHITE LIGHT-EMITTING DEVICE USING FLUORESCENT • FIBER」專利中之一圖式。雷射發光裝置20包括藍光雷射 21以及螢光光纖22，將藍光雷射21作為泵浦光源，以激 • 發螢光光纖22之增益介質，使部份藍色光轉換而形成紅光 以及綠光，而經過色轉換之紅光、綠光與剩餘之藍光泵浦 光源進行混光，而達到白光之效果。然而，經過色轉換之 紅光、綠光非雷射光，故同調性差且色彩飽和度差，另外， 此雷射發光裝置20無色彩選擇機制，因此紅光、綠光與藍 光必須同時產生，混光效率較低。 【發明内容】 本發明提供一種全光纖式彩色雷射，包括泵浦光源、 • 光纖以及調制器。泵浦光源用以發射雷射光，光纖與泵浦 光源連接且包括多能階波長光纖增益介質、第一光柵組以 及第二光柵組，第一光柵組、多能階波長光纖增益介質以 及第二光柵組相鄰設置。調制器與第二光柵組連接，其中， 雷射光藉由多能階波長光纖增益介質經過激發後產生複數 具有不同波長之雷射光，並且透過調制器使第二光栅組光 纖產生形變，以控制該等具有不同波長之雷射光之輸出。 其中，第一光柵組以及第二光栅組係為三種不同波長 6 1-377751 之光纖布拉格光栅(FBG)。 : 其中，多能階波長光纖增益介質係為镨(Pr)。 其中，泵浦光源包括雷射二極體，且雷射二極體所發 射之雷射光之波長範圍為780-880奈米之間，以激發多能 階波長光纖增益介質之镨離子。 其中，該等具有不同波長之雷射光包括具有第一波長 ' (λΐ)之雷射光、具有第二波長(λ2)之雷射光以及具有第三波 長(λ3)之雷射光，而雷射產生門檻λ1<λ2<λ3。 • 其中，具有第一波長（λΐ)之雷射光係為波長範圍在 460-495nm之間的藍光波段。 其中，具有第二波長（λ2)之雷射光係為波長範圍在 515-550nm之間的綠光波段。 其中，具有第三波長（λ3)之雷射光係為波長範圍在 600-717nm之間的紅光波段。 其中，調制器包括一壓電材料或一環形磁場。 其中，第一光柵組以及第二光栅組之各個光柵元件反 ®射率範圍在80%-99.9%之間。 其中，第一光柵組包括複數狹縫，第二光柵組包括複 數狹缝，調制器包括一第一調制器、一第二調制器以及一 第三調制器，透過第一、第二以及第三調制器調整第二光 柵組之狹縫之間距。 其中，第一光栅組包括第一光柵、第二光柵以及第三 光柵，第一光柵、第二光柵以及第三光栅依序連接，而第 二光柵組包括第四光柵、第五光柵以及第六光柵，調制器 7 1377751 包括第一調制器、第二調制器以及第三調制器，第四光柵、 : 第五光柵以及第六光柵依序連接且分別與第一、第二以及 第三調制器連接。 本發明提供一種全光纖式彩色雷射之發光方法，其步 驟包括：提供泵浦光源以及與泵浦光源連接之光纖，光纖 包括多能階波長光纖增益介質、第一光柵組以及第二光柵 ' 組；泵浦光源發射雷射光；雷射光藉由多能階波長光纖增益 介質經過激發後產生複數具有不同波長之雷射光；調整第 • 二光栅組之形變量，以控制該等具有不同波長之雷射光之 輸出；以及執行時間上週期性調制切換三個光柵使第二光 柵組產生週期性的形變，以達成混光之效。 其中，其步驟更包括：使第二光栅組中之第二光柵以 及第三光栅產生縱向形變，以輸出具有第一波長（λΐ)之雷 射光。 其中，其步驟更包括：使第二光栅組中之第三光柵產 生縱向形變，以輸出具有第二波長（λ2)之雷射光。 ® 其中，其步驟更包括：不做任何光柵產生縱向形變，以 輸出具有第三波長(λ3)之雷射光。 為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 【實施方式】 第3圖為本發明之全光纖式彩色雷射之示意圖。第4 圖為本發明之第二光柵組產生縱向形變之示意圖。 8 1377751 閱第3-4圖’全光纖式彩色雷射30包括泵浦光源 31、光纖32以及調制器33、34、35，其中泵浦光源31用 以發射一雷射光’而光纖32與泵浦光源31連接，光纖32 包括多能階波長光纖增益介質321、第一光柵組322以及 弟—光拇組3 2 3。 第一光柵組322包括第一光栅334、第二光柵336以 及第二光栅338，第二光栅組323包括第四光柵335、第五 光柵337以及第六光栅339。而第二光柵組323之第四光 拇335與調制器35連接，第二光柵組323之第五光柵337 與調制器34連接，第二光栅組323之第六光柵339與調制 器33連接。 雷射光藉由多能階波長光纖增益介質321被激發後產 生複數具有不同波長（λΐ、λ2、λ3)之雷射光，並且透過第 一、第二、第三調制器33、34、35使第二光柵組323沿光 纖32之縱向調整形變量，如第4圖所示，由於第二光柵組 323包括複數狹縫324 ’透過第一、第二、第三調制器33、 34、35可調整第二光柵組323之狹縫324之間距以控制具 有不同波長（λΐ、λ2、λ3)之雷射光之輸出，達成混光之效。 其中，第一光柵組322以及第二光柵組323係為多波 長光纖布拉格光栅(FBG) ’而多能階波長光纖增益介質係為 鳍（Pr)，泵浦光源31係為雷射二極體，且雷射二極體所發 射之雷射光的波長範圍為780~88〇奈米之間，以激發多能 階波長光纖增益介質321之镨離子。 另外，於本實施例中，雷射二極體所發射之雷射光之 9 1377751 波長為800奈米。而具有不同波長之雷射光包括具有第一 : 波長（λΐ)之雷射光、具有第二波長(λ2)之雷射光以及具有第 三波長（λ3)之雷射光，其中雷射產生門檻第一波長大於第 二波長大於第三波長（λ1<λ2<λ3)，短波長的雷射產生門檻 值比長波長高。 又，其中，第一、第二、第三調制器33、34、35可為 壓電材料或環形磁場，而第一光柵組322以及第二光柵·組 323之反射率範圍在80%-99.9%之間，而調制器之數量係 • 對應於第二光栅組323之光柵之數量，並不限於此實施例 所揭露之範圍。 第5圖係為本發明之全光纖式彩色雷射之發光方法之 流程圖。請搭配第3-5圖，以下說明全光纖式彩色雷射之 發光方法，其步驟包括:a.提供泵浦光源31以及與泵浦光源 31連接之光纖32，光纖32包括多能階波長光纖增益介質 321、第一光柵組322以及第二光柵組323;b.泵浦光源31 發射雷射光;c.雷射光藉由多能階波長光纖增益介質321經 ® 過激發後產生複數具有不同波長之雷射光;d.調整第二光 柵組323之形變量，以控制該等具有不同波長之雷射光之 輸出；e.執行時間上週期性調制切換第二光栅組323產生週 期性的縱向形變，以達成混光之效果。 若全光纖式彩色雷射30要發射出具有第一波長λΐ之 雷射光，不需使第二光柵組323產生縱向形變，即，將第 二光柵組323之形變量調整為零，由於第一波長λΐ為短波 長（波長λ1<λ2<λ3)，且短波長的藍光波段雷射'產生門檻值 1377751 最高，故可輸出具有第一波長λΐ之雷射光成分。由於本實 • 施例中，具有第一波長(λΐ)之雷射光係為460-495 nm之間 的藍光波段，故全光纖式彩色雷射30會發出具有藍光成 分。 若全光纖式彩色雷射30要發射出具有第二波長λ2之 雷射光時，藉由調制器33使第二光柵組323中之第六光栅 339產生縱向形變（如第4圖中箭頭Α所示），由於第一波 長雷射產生門檻大於第二波長大於第三波長（波長 • λ1<λ2<λ3)，故會輸出具有第二波長λ2成分之雷射光。由 於本實施例中，具有第二波長（λ2)之雷射光係為波長範圍 在515-550 nm之間的綠光波段，故全光纖式彩色雷射30 會發出綠光成分。 當具有不同波長之雷射光進入第二光柵組323後，若 全光纖式彩色雷射30要發射出具有第三波長λ3之雷射光 時，利用調制器34、35使第二光柵組323中之第五光栅 337以及第四光柵335產生縱向形變（如第4圖中箭頭Α所 ® 示），此時，具有第二波長λ2之雷射光以及具有第一波長λΐ 之雷射光會產生雷射共振腔遭調制破壞而能量損失（不具 有共振腔特性），故只剩下第三波長λ3之雷射光產生。由 •於本實施例中，具有第三波長（λ3)之雷射光係為波長範圍 .在600-717 nm之間的紅光波段，故全光纖式彩色雷射30 會發出紅光。 因此，若週期性地調制第二光柵組323，使其產生時 間上週期性的形變各個光栅分別不同時間調制，就會產生 1377751 不同的红、藍、綠光，以提供全光纖式彩色雷射30混光產 : 生各色光線。 其中，使第二光柵組323產生縱向形變之步驟中，可 藉ώ置接施力拉伸、設置一壓電材料或設置一壤形磁場的 方式，使第二光柵組323產生縱向形變。 由上可知，本發明利用特殊掺雜光纖使其具備多個能 ' 帶，再設計出光柵串聯系統作為共振腔，利用能帶的不同 適當調整光栅之内部間距，以選擇性地破壞共振腔，以使 • 全光纖式彩色雷射發射所需要的波長。因此，本發明之全 光纖式彩色雷射及其發光方法提供了微型化的多波.長雷射 系統·>具有同調性佳、色彩餘和度佳、不同色彩具有光同 軸性、圣光纖架構使散熱性能佳、機構簡化、具波長_選擇 機制使整體效率提升以及利甬同一增益介質可避免傳統光 源不同波長之色衰程度不同之優點，適合應用在量測 '通 訊或全彩顯示器等領域。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 ® 能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。另外本發明的任一實施例或 申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或 .特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋 之用，並非用來限制本發明之權利範圍。 1377751 [圖式簡單說明】 '第1圖為習知彩色雷射顯示器之示意圖； 第2圖為另一習知雷射發光裝置之示意圖； 第3圖為本發明之全光纖式彩色雷射之示意圖； 第4圖為本發明之第二光栖組產生縱向形變之示意圖； 以及 ' 第5圖係為本發明之全光纖式彩色雷射之發光方法之 流程圖。 • [主要元件符號說明】 習知技術 10彩色雷射顯示器 11光學元件 20雷射發光裝置 21藍光雷射 22螢光光纖 本發明 ® 30全光纖式彩色雷射 31泵浦光源 32光纖 321多能階波長光纖增益介質 322第一光柵組 323第二光柵組 324狹缝 334第一光才冊 1377751 336第二光柵 338第三光柵 335第四光柵 337第五光柵 3 3 9第六光栖 33第一調制器 34第二調制器 35第三調制器 λ] 第一波長 λ 2第二波長 入3第三波長

Claims (1)

1377751 第97M7089號 修正日期:101·6·21 修正本 Η年[月修正替換頁 包括·： 十、申請專利範圍： 1. 一種全光纖式彩色雷射-， 一泵浦光源，發射一雷射光； 一光纖·，與該泵浦光源連接，包括： 一多能階波長光纖增益介質； 一第一光拇組，包括一第一光拇、一第二光栅以及一 第三光柵，其中該第一光柵、該第二光柵以及該第三光柵 依序連接；以及 一第二光柵組，包括一第四光桃、一第五光柵以及一 第六光柵，其中該第一光栅組、該多能階波長光纖增益介 質以及該第二光柵組相鄰設置；以及 複數調制器，與該第二光柵組連接，且包括一第一調 制器、一第二調制器以及一第三調制器，其中該第四光栅、 該第五光柵以及該第六光柵依序連接且分別與該第一、第 二以及第三調制器連接； 其中，該雷射光藉由該多能階波長光纖增益介質經過 激發後產生複數具有不同波長之雷射光，並且透過該等調 制器分別調整該第四光柵、該第五光柵以及該第六光柵沿 該光纖之縱向之形變量，以分別控制紅光、綠光、或是藍 光之輸出。 2. 如申請專利範圍第1項所述之全光纖式彩色雷射， 其中該第一光柵組以及該第二光柵組係為不同波長光纖布 拉格光栅(FBG)。 3. 如申請專利範圍第1項所述之全光纖式彩色雷射， 15 umi 修正本 "97147089 ^ 修正曰期摘£5?^ 其中該多能階波長光纖增益介質倍為錯㈣。 4.如申請專利範圍第1 1中哕項所边之全光纖式彩色雷射， 射之;㈣’且該雷射二極體所發 ，，該苗射光之波長範圍為彻彻奈米之間以激發該 夕月&階波長光纖增益介質之镨離子。 直中鄕圍第1销紅全錢絲色雷射， 二皮長之雷射光包括一具有第-波刷 波長U2)之雷射光以及-具有第三 波長⑴)之雷射光（波長：λ1<λ2<λ3)，而 門檻為又1>又2>又3。 W ^如中請專利範㈣5項所述之全光纖式彩色雷射， 46〇 4〇5 /長（λ )之雷射光係為波長範圍在 460-495 nm之間的藍光波段。 且中利範㈣5項所述之全光纖式彩色雷射， 5、155//、 波長U2)之雷射光係為波長範圍在 515-550 nm之間的綠光波段。 且中利範圍第5項所述之全光纖式彩色雷射， 中該具有第三波長（λ3)之雷射光 祕爪⑽之間的紅光波段。 巧皮長乾圍在 直中t如等t專利範圍第1項所述之全光纖式彩色雷射， ，、中4周制盗包括一壓電材料或一環形磁場。 直中請專利範圍第1項所述之全光纖式彩色雷射， 80%_99.9%之間。 弟—先柵組之反射率範圍在 16 1377751 / I ——Ί 月2Ίβ修正替換f 第97】47089號 修正日期:101-6.2i_ 自如、只，， ———I修正本 11.如申請專利範圍第1項所述之全光纖式彩色雷射， 其中該第一光柵組包括複數狹縫，該第二光柵組包括複數 狭缝，透過該第一、第二以及第三調制器調整該第二光梅 組之該等狹縫之間距。 - 12.—種全光纖式彩色雷射之發光方法，其步驟包括 提供一泵浦光源以及與該泵浦光源連接之一光纖，該 光纖包括一多能階波長光纖增益介質、一第一光柵組以= 一第二光柵組； 該泵浦光源發射一雷射光； 該雷射光藉由該多能階波長光纖增益介質經過激發後 產生複數具有不同波長之雷射光； 選擇性地不做光柵縱向形變，以輸出該具有第一波長 (入1)之雷射光、使該第二光柵組中之一第六光栅產生縱向 形變，以輸出該具有第二波長（又2)之雷射光、或是使該第 二光柵組中之一第五光栅以及一第四光柵產生縱向形變， 以輸出該具有第一波長（又3)之雷射光；以及 執行時間上週期性調制使該第二光柵組產生各個光柵 互相切換週期性的形變，以達成混光效果。 . I3.如申請專利範圍第12項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中調整該第二光柵組之形變量之步驟中， 包括直接施力拉伸使該第二光栅組產生縱向形變、設置一 壓電材料使該第二光栅組產生縱向形變或設置一環形磁場 吏該第—光棚組產生縱向形變。 14.如申請專利範圍第12項所述之全光纖式彩色雷射 17 1377751 第 97H7089 號 修正日期:101- 〆月細正替換蒉 01 ^ 修正本 之發光方法’其中調整該第二光柵·組之形變量之步驟中， 包括使該第二光柵組之形變量為零。 15. 如申請專利範圍第12項戶斤述之全光纖式彩色雷射 之發光方法’其中該第一光柵組以及該第二光柵組係為多 波長光纖布拉袼先柵(FBG)。 16. 如申請專利範圍第12項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中該多能階波長光纖增盈介質係為镨(Pr)。 17. 如申請專利範圍第12項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中該等具有不同波長之雷射光包括一具有 第一波長（λ 1)之雷射光、一具有第 > 波長（λ 2)之雷射光以 及一具有第三波長（A3)之雷射光（波長：λ1<λ2<λ3)， 而雷射門檻；U>入。 18. 如申請專利範圍第17項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中該具有第一波長（λΐ)之雷射光係為波長 範圍在460-495nm之間的藍光波段。 19. 如申請專利範圍第17項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中該具有第二波長（λ 2)之雷射光係為波長 範圍在515-550nm之間的綠光波段。 20. 如申請專利範圍第17項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中該具有第三波長（λ 3)之雷射光係為波長 範圍在600-717nm之間的紅光波段。 21 ·如申請專利範圍第12項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中該第一光柵組以及該第二光栅組之反射 率範圍為80%-99.9%之間。 18 1377751 卜f年修正替換資： 第97M7089號 修正日期:101.6.21 ---秦正本 22. 如申請專利範圍第12項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中該第一光柵組包括複數狹缝，該第二光 柵組包括複數狭縫，該等調制器包括一第一調制器、一第 二調制器以及一第三調制器，透過該第一、第二以及第三 調制器調整該第二光柵組之該等狹缝之間距。 23. 如申請專利範圍第12項所述之全光纖式彩色雷射 之發光方法，其中該第一光拇組包括一第一光栅、一第二 光栅以及一第三光柵，該第一光柵、該第二光柵以及該第 三光柵依序連接，該等調制器包括一第一調制器、一第二 調制器以及一第三調制器，該第四光柵、該第五光柵以及 該第六光柵依序連接且分別與該第一、第二以及第三調制 器連接。 19