TWI380542B - Laser apparatus with all optical-fiber - Google Patents

Description

1380542 P27970084TW 29666twf.doc/n 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 . 本發明是有關於一種雷射技術，且特別是有關於一種全弁 纖的雷射裝置，可以發出高效率的綠雷射光。 尤 【先前技術】 ... 近年來由於雷射投影的概念興起，對於小型化高功率綠 雷射光源需求與日倶增，而綠光的雷射二極體尚未成熟。斜於 —極體雷射泵满固態(Diode Pumped Solid State，DPSS)雷射； • 其倍頻綠光有組裝困難與散熱問題，且散熱也影響雷^穩定 度，因而小型化與良好散熱機構難於兼顧。然而，綠光氣 射的效率低、體積龐大、價格昂貴。 田 目前光纖雷射的實現波段，大多是在近紅外與中紅外線波 段，且廣泛應用在機械加工、生醫與通訊用途上。而可見光波 段光纖雷射目前仍處於實驗室階段，其總功率仍無法顯著提 高。 傳統技術中，美國第5638394號專利揭示以波長98〇nm 的雷射二極體為泵浦光源，打入镱铽(Yb、Tb)共摻的光纖裡， 並在光纖兩端放置藍、綠光反射鏡，形成雷射共振腔。其產生 的光並非全光纖式架構，穩定性差。另外摻铽光纖雷射效率也 不佳。另一個美國第5805631號專利揭示以波長790〜900nm . 的雷射二極體為泵浦光源，打入镨镱(Pr、Yb)共摻光纖裡，並 以反射鏡或是光柵方式在光纖兩端形成雷射共振腔。其使用單 一泵浦光源’無法充分利用镨離子激發態吸收效應。 就綠光雷射而言’小型化、高功率、高穩定度的雷射系統 是研發的方向。 【發明内容】 3 1380542 P27970084TW 29666twf.doc/n 僅是摻斜錢，也具有產生絲的效果。祕藉㈣ 光源，以多次激發到綠光能階的機制，其可以採用的光源^ 於雙泵浦光源，針對觸子的能階，其例如也可簡 j 1480奈米光源來做補償，以提升效率。 θ

以下舉-些實_來說明本發明，但是本發明不僅限 舉的一些實施例。又所舉的多個實施例之間有可以相互適當結 合 〇 . 、*° 以多光源泵浦技術與泵浦光源脈衝調製技術，對於餌镱共 摻氟化物光纖為例的方法與材料來達成目標，其中镱元素 助作用，因此不是絕對必要。激發機制的理論背景如下。疋 多光源泵浦技術’是基於考慮铒離子&3+其4f 態，其料、基態與包括W4Ill/2、4l9/2、^is^

Hu/2、4F·；/2與2H9/2等低層激發態。圖丨繪示依據本發明一實 施例，餌離子的吸收光譜。圖2繪示依據本發明一實施例，铒 離子的價電子纟且態。 先參閱圖2’铒離子除了有已經廣泛應用的155〇nm雷射之 外，餌離子Er3+存在一綠光雷射躍遷機制，如4S3/2—、的。在 ，基光纖中其雷射波長為540〜550 nm。將基態铒離子激發至 均3/2可以使用多種不同泵浦光源。參閱圖〗，雖然铒離子有幾 個吸收波段，但只有使用紅外波段的泵浦光源如8〇〇 nm、97〇 nm與1480 nm等的二極體雷射，才能達到經濟效益。但是上述 的泵浦光源無法將铒離子直接激發至4心/2能階，以產生所要的 綠光約540 nm。 圖3繪示依據本發明一實施例，餌離子對8〇〇nm泵浦光源 的激發示意圖。參閱圖3，如果僅使用8〇〇 nm的泵浦光源，铒 離子必須重複吸收兩個光子，以達到放出綠光的能階。圖4繪 5 1380542 P27970084TW 29666nvf.doc/n 示依據本發明一實施例，铒離子對970 nm泵浦光源的激發示意 圖。參閱圖4 ’如果僅使用970 nm的泵浦光源，斜離子也必須 重複吸收兩個光，之後例如從均的能階放出綠光。圖5繪示依 據本發明一實施例，斜離子對1480 nm泵浦光源的激發示意 圖。參閱圖5，僅使用1480 nm光源時，斜離子必須重複吸收三 個光子。 然而單獨使用上述二種波段光源仍然有其物理上限制，導 致景>響轉換效率。以圖4的方式來看，餌離子使用97〇 nm光源 的能階上轉換（up-conversion)機制為，在4115/2基態的铒離子 吸收nm光子，躍遷至4Ιιι/2激發態，然後再次吸收97〇 nm光 子躍遷至F?/2激發悲。這必須累積在4iu/2激發態的詞：離子的居 量數(population)。然而％ w激發態會以非輻射方式鬆弛躍遷至 %3,2亞穩態（meta-stable state)，其中4ΙΠ,2的生命期較q為 長，因此铒離子居量數是累積至竹丨^亞穩態而非'μ激發態。 這限制了铒離子使用970nm光源能階上轉換到4s3/2的效率。 又對於使用800 nm光源的機制，如圖3所示，是從、的基 態，離子吸收800nm光子，躍遷至激發態，接著鬆弛躍遷 至I13/2的亞穩癌’更再次吸收8〇〇 nm光子躍遷至2印1/2。更配 合參閱圖6，圖6繪示依據本發明一實施例，铒離子的激發態吸 收率(ESA)。從圖3看出斜離子在^態對所需要吸收的波長為_ nm。但是由圖6的資料顯示，餌離子對8〇〇啦光子的基態吸收 (ground state absorption ’ GSA)差。如此，僅使用8〇〇啦光子以產 生綠光的效率不佳。 土更再檢視圖1的斜離子吸收頻譜，铒離子在148〇⑽吸收截 面遇較800 nm與970 nm為大，但因為使用148〇nm需要兩次能 P白上轉換歷程，才此躍遷至，整體效率不高。 6 1380542 P27970084TW 29666twf.doc/n 、，因此’較貫際的解決方法為例如同時使用三種泵浦光源， 以增加上轉·%/2機率。其主要上轉換路徑為 970 nm 與 1棚nm光源累積在、亞穩態的居量數，然後再吸收獅伽 光子躍遷S子躍遷至19/2激發態，之後再鬆他躍遷至4心2形成 綠光雷射機制。其中_ nm光源的吸收截面大，且量子轉換 (quantum conversion)效率高。換句或說，利用9?〇咖對铒離子 说發’以使在Im亞穩態提高居量數。再藉由獅肺光子從 Im亞穩態躍遷到2H"/2 ’接著鬆他躍遷至4s3/2以放出綠光。 上述的機制是針對僅摻雜_離子的光纖。然而由於使用的 光源包括970 nm光源，因此光纖可以再摻雜鏡離子。使用97〇 nm的作収包括可績使朗離子共摻光纖巾的鏡離子，藉 ，镱離子對970 rnn光子的強吸收作用，再轉換至娜子，以提 向效率。圖7緣示依據本發明—實施例，_離子能量轉換示 意圖。參閱圖7，f鏡離子也吸收97〇 n_光源時，镱離子對 970 nm的基態吸收(GSA)強，使從、的基態躍遷到2〜激發 態。當鏡離子從2F5/2激發‘態回到基態時，放出的光子由^ 鄰的餌離子吸收，以提高铒離子吸收97〇11111的光源。 接著描述脈衝泵浦的作用。圖8繪示依據本發明一實施 例，利用蒙地卡、羅演算法對升頻槔換效率模擬示意^。參二圖 8，三條配適(fitting)曲線，是模擬不同單位時間内的光子居量 反轉數(population inversion)與上轉換(up_c〇nversi〇n)效率 1 稱為升頻轉換效率）的關係。數據顯示高的居量反轉效率，會 提昇雷射上轉換效率。因此可利用短脈衝時間寬度，半高寬^ 奈秒等級。藉由高尖端功率雷射，其能在脈衝時間内把铒離子 瞬間激發至上能階，提昇升頻轉換效率。 又關於氟化物光纖’電子於能階上的生命㈣域材質有 7 1380542 P27970084TW 29666twf.doc/n 關。對於摻Er離子分別於氟锆酸鹽(ZBLAN)和氧化啊sUica)的 光纖中，對於高激發態的卞7,2，光纖之生命期為〇45 ms’而在氧化矽光纖之此能階的生命期僅有〇〇〇1 ^^或丨叫。 其原因可由多聲子放射（multi_ph〇non emissi〇n)來解釋。多聲 子放射的速率W，對某—能階來說，可以表示成其與下一能階 的能量差Δ£之函數，即 W=Cexp 其中C與a為常數，細則為材料之聲子能量，在氧化矽與 硼酸鹽(Bomte)玻璃的材料中，其值約為1〇〇〇 ，或是124 meV。，在ZBLAN中則小於_ cm]或是74 4 meV，約為前者 之4一半左右。而這一半的值在指數中的差距是極大的。玢離子 之心/2能階在、硼酸鹽玻璃，氧化矽玻璃，ZB][^^^^LaF3幾種 材料中的放射速率有很大的差異。在smca中約為4 5χ1〇5 ; 而在ZBLAN中則約為⑽左右，表示其生命週期差約為45〇倍。 又、Er離子在不同材質之光纖中對1480 nm的吸收頻譜的 分析如下。ZBLAN材料因其具有較小的輋子能量故較不易影 響咼旎階的Er離子之生命期，因而在此觀點上ZBLAN光纖是 車义適合做為升頻轉換雷射的主元件(h〇st)。而在升頻轉換中， 考慮加入1480 run的泵浦光，藉由％5/2到％3/2，來提升'μ 此能階的，子數’以避免4 _刊為此能階的生命期只有 7ps而掉到Iu/2的能階。檢視從£1_離子摻雜於幾種不同材質中 的吸收截面積。ZBLAN在1480 nm的吸收較矽石高。因此 ZBLAN光纖在高階的生命週期與148〇 nm的吸收考量上是較 8 1380542 P27970084TW 29666twf,doc/n 佳的選擇。 從前面的研究可以歸納出幾個現象。對於三種波段光源分別 使用的話，有其物理上的限制，導致影響轉換效率。也就是綱腦 光源對铒離子的GSA差。970nm光源對铒離子存在'a機率低， 居罝少，不易吸收泵浦光源。1460 nm光源對铒離子需同時吸收 三個光子，效率差。 ®此，較實_解決方法為同時使用三種㈣統，以增加 上，換至吃边機率。主要上轉換路徑以970 ηχη與1480 nm光源來累 積In/2亞穩態居量數，再吸收800 nm光子躍遷光子躍遷至4h11/2激 籲發態’再鬆他躍遷至4Ss/2形成綠光雷射機制。 又，由於使用970nm光源，因此可以更摻入镱離子，以提升 吸收970 nm光源的效率。 然而’基於多光源的機制，本發明不限於綠光雷射。另外， 光纖中摻入的離子，是依其激發態的考量，因此不限於摻入離子 的種類以及離子種類的數量。 以下繼續描述雷射架構。圖9-11纟會示依據本發明一些實施 例’雷射系統示意圖。參閱圖9，一光纖1〇2上的一輸入端設置有 • 一結合器(combiner) 100,因此多個泵浦光源藉由結合器1〇〇被引入 光纖102。泵浦光源包括至少二値光源’例如泵浦光源1〇8與泵浦 光源110〇對於綠光的雷射，光纖102摻雜銷：離子，或是更掺雜鏡 ’ 離子。泵浦光源與泵浦光源11〇的波長例如是79〇nm〜 825nm與960nm〜990 nm。依實際需要，可以再增加泵浦光 源112，其波長例如是1450 nm〜1550 nm。又更例如，也可以 更加入900 nm〜930 nm的泵浦光源。再光纖1〇2上的兩端設置有 二個光纖光柵(Fiber Bragg Grating，FBG )104、106構成共振腔。 光纖光柵的中心波長例如設在約546 nm的綠光。 9 1380542 P27970084TW 29666twf.doc/n 參閱圖10 ’其與圖9類似，但是光纖102上沒有光纖光柵，以 構成線性共振腔。綠光雷射是藉由例如波長為54〇 nm的種子光源 Π3 ’藉由結合器1〇〇引入到光纖1〇2。由於已加入綠光種子光源 113 ’在光纖102上就無需再設置綠光的光纖光柵來夠成共振腔。

參閱圖11，此雷射系統是以環形的光纖1〇2達成環形共振腔。 泵浦光源108、110、112由結合器1〇〇引入到光纖1〇2。光纖 没置有一光搞合器120，可以將所要的雷射光124引出，其波長例 如是540 nm的綠光。另外，具有方向性針對綠光的隔離器 (isolator)122也設置在光纖1〇2上。 雷射系統利用前面討論的機制，使用多個低能量的光源，配 合摻雜的離子性’經過多次激發以達到較高能階的雷射光，例如 可以發出綠光。 雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發 明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之 精神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範 圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 又 【圖式簡單說明】 圖1疋依據本發明一實施例，鋅離子的吸收光譜。 圖2是依據本發明一實施例，铒離子的價電子組態。 圖3疋依據本發明一實施例，餌離子對8〇〇nm泵浦光 的激發示意圖。 圖4是依據本發明一實施例，铒離子對97〇聰 的激發示意圖。 圖5是依據本發明-實施例’铒離子對148〇nm策浦光 的激發示意圖。 圖6是依據本發明一實施例，斜離子的激發態做率㈣外 1380542 P27970084TW 29666twf.doc/n 圖7是依據本發明一實施例，铒镱離子能量轉換示意圖。 圖8是依據本發明一實施例，利用蒙地卡羅演算法對升頻 轉換效率模擬示意圖。 圖9-11繪示依據本發明一些實施例，雷射系統示意圖。 【主要元件符號說明】 100 :結合器 102:光纖 104、106 :光纖光栅 108〜112 :泵浦光源 113 :種子光源 120:光耦合器 122:隔離器 124:雷射光 11

Claims (1)

1380542 101-10-22 七、申請專利範園： L 一種全光纖的雷射裝置，包括： 不同波段的多個栗浦光源，其中該些泵浦光源包括波長範 圍在790nm〜825nm的一第一泵浦光，波長範圍在96〇⑽〜 "Onm的一第二泵浦光，波長範圍在…。⑽〜的一 第三泵浦光，以及波長範圍在9〇〇nm〜93()nm的一第四泵浦 光；以及 一光纖雷射系統’包含有一光纖至少摻雜有铒元素與镱元 • 素’其中該光纖雷射系統藉由該泵浦光源以輸出一綠雷射光， 其中該光纖雷射系統包括： 一結合器’設置在該光纖上；以及 一綠光種子源，藉由該結合器輸入到該光纖，該光 纖是線性共振腔。 2.如申請專利範圍第1項所述之全光纖的雷射裝置，其 中該光纖雷射系統的該光纖是一環形光纖，包括一隔離器以及 一光耦合器設置在該環形光纖上，且藉由該光耦合器輸出該雷

射光。 12