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    • 专利摘要:
    本發明係有關於一種Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，俾能利用一Q-切換元件引發一摻鉺增益介質產生一波長介於2.5-3.0微米之間之鉺雷射脈衝。首先，摻鉺增益介質係被一激發光源激發且被Q-切換而產生一第一雷射脈衝，其波長係介於1.58-1.62微米之間。此第一雷射脈衝使摻鉺增益介質在能階4I11/2與能階4I13/2之間瞬間產生正居量反轉，使得摻鉺增益介質產生波長介於2.5-3.0微米之鉺雷射脈衝。
    公开号:TW201304333A
    申请号:TW100124785
    申请日:2011-07-13
    公开日:2013-01-16
    发明作者:Tzong-Yow Tsai
    申请人:Univ Nat Cheng Kung；
    IPC主号:H01S3-00
    专利说明:
    Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統
    本發明係關於一種Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，尤指一種能利用Q-切換元件來Q-切換摻鉺增益介質，以產生一波長介於2.5至3微米之鉺脈衝的雷射系統。
    雷射，是指窄幅頻率的光輻射線，通過受激輻射放大和必要的反饋共振，形成準直、單色、相干的光束的過程及儀器。而基本上，形成雷射需要「共振結構」、「增益介質」及「激發來源」這三個要素。
    雷射光因其在光學性質上具有強大的優點，故雷射光的應用範圍相當的廣泛。再者，由於水分子可吸收2.5至3.0微米波長範圍的光子，因此，在此波長區間的雷射光相當適合應用於生物醫療領域中，例如手術上的細胞燒灼和切割等。也因此，此波長區間的雷射光亦相當具有研究的價值。
    於傳統的技術中，形成2.5至3.0微米波長的雷射脈衝的方法多採用傳統主動式塊狀(bulk)Q-切換裝置來達成。然而，使用傳統主動式塊狀(bulk)Q-切換裝置的雷射系統體積相當龐大，且其造價相當昂貴。再者，採用傳統主動式塊狀Q-切換裝置來形成2.5至3.0微米波長的雷射脈衝的過程需要複雜的光學準直，且一般具有高共振腔能損等。
    而相較於之主動式脈衝雷射系統，被動式脈衝雷射系統則具有許多優勢，例如容易全光纖化即為其優勢之一。全光纖雷射結構具有許多優點，例如其激發效率高、可累積極大的增益、無光準直(alignment)問題、封裝製作容易、共振腔能損很低，適合高效率Q-切換操作、具可彎曲性、整體體積小、操作彈性高、可得單模之高雷射光束品質、以及微米級的輸出模態直徑使輸出光束具有極高的光子密度。可用於微奈米精密加工和非線性光學研究等。
    基於前述理由，傳統以主動式塊狀(bulk)Q-切換裝置來產生2至3微米波長雷射脈衝的雷射系統在實施上仍有許多待改善的空間，而被動式脈衝雷射系統又具有許多主動式脈衝雷射系統所無法達到的優點，因此業界需要一種創新、且可被動式產生2至3微米波長雷射脈衝的雷射系統。
    因此，業界極需要一種能利用Q-切換元件來Q-切換摻鉺增益介質，以產生一波長介於2.5至3微米(μm)之鉺脈衝的雷射系統。
    本發明之目的係在提供一種Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，俾能利用Q-切換元件來Q-切換摻鉺增益介質，以產生一波長介於2.5至3微米(μm)之鉺雷射脈衝。
    本發明之另一目的係在提供一種全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，俾能利用Q-切換元件來Q-切換摻鉺增益介質，以產生一波長介於2.5至3微米(μm)之鉺雷射脈衝，且可藉由全光纖的型式達到更高的雷射效率。
    為達成上述目的，本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統包括：一第一雷射共振腔，此第一雷射共振腔係包含一第一反射元件、一第二反射元件、一摻鉺增益介質、及一Q-切換元件，且此第一反射元件與此第二反射元件係將此摻鉺增益介質及此Q-切換元件包圍於兩者之間：一第二雷射共振腔，此第二雷射共振腔係包含一第三反射元件、一第四反射元件、及此摻鉺增益介質，且此第三反射元件與此第四反射元件係將此摻鉺增益介質包圍於兩者之間；以及一激發光源輸入元件，係用以將一激發光源入射至此雷射系統中；其中，此激發光源係激發此摻鉺增益介質，使得此摻鉺增益介質在能階4 I 13/2與能階4 I 15/2之間產生增益，此Q-切換元件便Q-切換此第一雷射共振腔，使得此摻鉺增益介質產生一第一雷射脈衝，而此第一雷射脈衝係使得此摻鉺增益介質於能階4I13/2之群數居量被耗盡，使得此摻鉺增益介質在能階4 I 11/2與能階4 I 13/2之間產生正居量反轉，而使得此摻鉺增益介質產生一第二雷射脈衝，此第二雷射脈衝則從此第二雷射共振腔之此第四反射元件之一端輸出。
    需注意的是，上述之激發光源係激發此摻鉺增益介質，此摻鉺增益介質因受激發而呈現增益，並自體輻射出光子，此Q-切換元件吸收此自體輻射光子而達到一吸收飽和狀態；達到吸收飽和狀態之此Q-切換元件便Q-切換此第一雷射共振腔，使得此摻鉺增益介質產生一第一雷射脈衝，此第一雷射脈衝使此摻鉺增益介質在能階4 I 11/2與能階4 I 13/2之間瞬間產生正居量反轉，即是第一雷射脈衝瞬間增益切換此第二雷射共振腔，使得此摻鉺增益介質續產生一第二雷射脈衝，此第二雷射脈衝則從此第二雷射共振腔之此第四反射元件之一端輸出。
    其中，上述之Q-切換元件之形式並無限制，其較佳係為一主動式Q-切換元件或一被動式Q-切換元件，但更佳為一被動式Q-切換元件。
    再者，當本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中所使用之Q-切換元件為一被動式Q-切換元件，則本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統即為一被動式脈衝雷射系統。此時，被動式Q-切換元件的形式並無任何限制，但較佳為一摻銩晶體、一摻銩玻璃、或一摻銩光纖。此外，上述之摻鉺增益介質則較佳為一摻鉺晶體、一摻鉺氟化物玻璃、或一摻鉺氟化物光纖(Erbium-doped fluoride fiber)。
    除此之外，此激發光源輸入元件係用以將一激發光源入射至本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中。再者，產生此激發光源的激發光源產生元件並無限定為何種形式，其較佳可為一半導體雷射二極體(Laser diode)。再者，此激發光源的波長較佳係介於0.95μm至1.01μm之間，而更佳為0.98μm。
    需注意的是，上述之第一雷射脈衝係由於此摻鉺增益介質受此激發光源之激發後，而使得此摻鉺增益介質之鉺離子於能階4I13/2與能階4I15/2之間產生正居量反轉的現象。再者，第一反射元件及第二反射元件之反射帶(reflection band)含第一雷射脈衝之波長，而第一雷射脈衝之波長較佳係介於1.58μm至1.62μm之間。
    此外，上述之第二雷射脈衝係由於此Q-切換元件Q-切換此第一雷射共振腔，使得此摻鉺增益介質產生一第一雷射脈衝，此第一雷射脈衝使得此摻鉺增益介質於能階4I13/2之群數居量瞬間被耗盡，如此即使得摻鉺增益介質之鉺離子於能階4I11/2與能階4I13/2之間產生正居量反轉(positive population inversion)，此增益切換行為產生此第二雷射脈衝。再者，第三反射元件及第四反射元件之反射帶(reflection band)含第二雷射脈衝之波長，而第二雷射脈衝之波長較佳係介於2.5μm至3μm之間。
    在本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，第一反射元件、第二反射元件、第三反射元件、及第四反射元件之形式並無限制，任何可達到將雷射光反射的反射元件皆可適用於本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中。然而，第一反射元件、第二反射元件、第三反射元件、及第四反射元件較佳可為一鍍膜平面、或一光纖布拉格光柵。
    再者，第一反射元件及第三反射元件的反射率較佳係介於95%至100%之間，而第一反射元件及第三反射元件的反射率更佳為100%。此外，第二反射元件的反射率較佳係介於80%至100%之間，而第四反射元件的反射率則較佳介於4%至70%之間。
    因此，本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統可利用Q-切換元件來引發增益切換摻鉺增益介質，以產生一波長介於2.5至3微米(μm)之脈衝。
    為達成上述目的，本發明之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統包括：一激發光源耦合元件，係包含一第一端、一第二端及一第三端；一可飽和吸收Q-切換光纖，係耦接於此激發光源耦合元件之第二端；一第一光纖布拉格光柵，係耦接於此可飽和吸收Q-切換光纖之相對於此激發光源耦合元件的另一端；一第三光纖布拉格光柵，係耦接於此激發光源耦合元件之第三端；一摻鉺增益光纖，係耦接於此第三光纖布拉格光柵之相對於此激發光源耦合元件之一端；一第二光纖布拉格光柵，係耦接於此摻鉺增益光纖之相對於此第三光纖布拉格光柵之一端；以及一第四光纖布拉格光柵，係耦接於此第二光纖布拉格光柵之相對於此摻鉺增益光纖之一端；其中，此第一光纖布拉格光柵、此第二光纖布拉格光柵、此摻鉺增益光纖、及此可飽和吸收Q-切換光纖係形成一第一雷射共振腔，而此第三光纖布拉格光柵、此第四光纖布拉格光柵、及此摻鉺增益光纖係形成一第二雷射共振腔，此激發光源耦合元件係用以將一激發光源導入至此全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，此激發光源係激發此摻鉺增益光纖，使得此摻鉺增益光纖在能階4 I 13/2與能階4 I 15/2之間產生增益，此可飽和吸收Q-切換光纖便Q-切換此第一雷射共振腔，使得此摻鉺增益光纖產生一第一雷射脈衝，而此第一雷射脈衝係使得此摻鉺增益光纖於能階4I13/2能階之群數居量被耗盡，使得此摻鉺增益光纖在能階4 I 11/2與能階4 I 13/2之間產生正居量反轉，使得此摻鉺增益光纖產生一第二雷射脈衝，此第二雷射脈衝則從此第二雷射共振腔之第四光纖布拉格光柵之一端輸出。
    需注意的是，上述之激發光源耦合元件係用以將一激發光源導入至此全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，此激發光源係激發此摻鉺增益光纖，此摻鉺增益光纖因受激發而呈現增益，並自體輻射出光子，此可飽和吸收Q-切換光纖吸收此自體輻射光子而達到一吸收飽和狀態；達到吸收飽和狀態之此可飽和吸收Q-切換光纖便Q-切換此第一雷射共振腔，使得此摻鉺增益光纖產生一第一雷射脈衝，此第一雷射脈衝使此摻鉺增益光纖在能階4 I 11/2與能階4 I 13/2之間瞬間產生正居量反轉，即是第一雷射脈衝瞬間增益切換此第二雷射共振腔，使得此摻鉺增益光纖續產生一第二雷射脈衝，此第二雷射脈衝則從此第二雷射共振腔之第四光纖布拉格光柵之一端輸出。
    其中，上述之可飽和吸收Q-切換光纖之形式並無限制，此可飽和吸收Q-切換光纖較佳可為一摻銩可飽和吸收Q-切換光纖。此外，上述之摻鉺增益光纖則較佳則可為一摻鉺氟化物光纖。而上述之激發光源耦合元件係用以將一激發光源導入至本發明之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，其中，此激發光源耦合元件並無限定為何種形式，其較佳可為一分波多工器、或一激發光源合併器。而激發光源的波長較佳係介於0.95μm至1.01μm之間，更佳為0.98μm。
    需注意的是，上述之第一雷射脈衝係由於此摻鉺增益光纖受此激發光源之激發後，而使得此摻鉺增益光纖之鉺離子於能階4I13/2與能階4I15/2之間產生正居量反轉的現象。再者，第一光纖布拉格光柵及第二光纖布拉格光柵之反射帶(reflection band)含第一雷射脈衝之波長，而第一雷射脈衝之波長較佳係介於1.58μm至1.62μm之間。此外，上述之第二雷射脈衝係由於此可飽和吸收Q-切換光纖Q-切換此第一雷射共振腔，使得此摻鉺增益介質產生一第一雷射脈衝，此第一雷射脈衝使得此摻鉺增益光纖於能階4I13/2之群數居量瞬間被耗盡，使得摻鉺增益光纖之鉺離子於能階4I11/2與能階4I13/2之間產生正居量反轉(positive population inversion)，此增益切換行為產生此第二雷射脈衝。再者，第三光纖布拉格光柵及第四光纖布拉格光柵之反射帶(reflection band)含此第二雷射脈衝之波長，而第二雷射脈衝之波長較佳係介於2.5μm至3μm之間。
    在本發明之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，第一光纖布拉格光柵及第三光纖布拉格光柵的反射率較佳係介於95%至100%之間，而第一光纖布拉格光柵及第三光纖布拉格光柵的反射率更佳為100%。此外，第二光纖布拉格光柵的反射率較佳係介於80%至100%之間，而第四光纖布拉格光柵的反射率則較佳介於4%至70%之間。此外，在某些雷射應用中，前述之第二光纖布拉格光柵及第四光纖布拉格光柵亦可整合為一光纖平切端面。意即，將摻鉺增益光纖之相對於該第三光纖布拉格光柵之一端的光纖，以工具直接形成一平切端面，便可提供與前述之第二光纖布拉格光柵及第四光纖布拉格光柵相近的反射功能。
    因此，本發明之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統可利用可飽和吸收Q-切換光纖來引發增益切換摻鉺增益光纖，以產生一波長介於2.5至3微米(μm)之脈衝，且可藉由全光纖的型式達到更高的雷射效率。
    以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。此外，本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，且本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，而在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
    實施例1
    有關本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，則請參閱圖1，圖1係本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統的示意圖。如圖1所示，本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統包括：一第一雷射共振腔11、一第二雷射雷射共振腔12、及一激發光源輸入元件13。其中，此第一雷射共振腔11係包含一第一反射元件111、一第二反射元件112、一摻鉺增益介質113、及一Q-切換元件114，且此第一反射元件111與此第二反射元件112係將此摻鉺增益介質113及此Q-切換元件114包圍於兩者之間。此外，第二雷射共振腔12則包含一第三反射元件121、一第四反射元件122、及摻鉺增益介質113，且第三反射元件121與第四反射元件122係將摻鉺增益介質113包圍於兩者之間。
    再者，於本實施例中，激發光源輸入元件13係用以將一激發光源14入射至本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，用以激發摻鉺增益介質113。另一方面，Q-切換元件之形式並無限制，其較佳係為一主動式Q-切換元件或一被動式Q-切換元件，而於本實施例中，Q-切換元件係為一被動式Q-切換元件。如此，由於本實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統係使用一被動式Q-切換元件，故本發明Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統即為一被動式脈衝雷射系統。除此之外，被動式Q-切換元件的形式並無任何限制，但較佳可為一摻銩晶體、一摻銩玻璃、或一摻銩光纖。而於本實施例中，被動式Q-切換元件係為一摻銩玻璃。此外，上述之摻鉺增益介質則較佳為一摻鉺晶體、一摻鉺氟化物玻璃、或一摻鉺氟化物光纖(Erbium-doped fluoride fiber)，而於本實施例中，摻鉺增益介質係為一摻鉺氟化物玻璃。
    除此之外，激發光源係入射至本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中。再者，產生此激發光源的激發光源產生元件並無限定為何種形式，其較佳可為一半導體雷射二極體(Laser diode)。再者，此激發光源輸入元件所形成之激發光源的波長較佳係介於0.96μm至1.0μm之間。而於本實施例中，激發光源之波長係為0.98μm。
    再者，在本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，第一反射元件111、第二反射元件112、第三反射元件121、及第四反射元件122之形式並無限制，任何可達到將雷射光反射的元件皆可適用於本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中。然而，於本實施例中，第一反射元件111、第二反射元件112、第三反射元件121、及第四反射元件122係為反射鏡。除此之外，於本實施例中，第一反射元件111及第二反射元件112之主要反射波長係為1.6μm，而第三反射元件121及第四反射元件122之主要反射波長係為2.65μm。再者，第一反射元件111及第三反射元件121的反射率係介於95%至100%之間，第二反射元件112的反射率係介於80%至100%之間，而第四反射元件122的反射率則介於4%至70%之間。
    以下，將詳述本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統之動作原理：首先，激發光源輸入元件13將激發光源14入射至本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，以激發摻鉺增益介質113。此時，摻鉺增益介質113因受激發而呈現增益，並自體輻射出光子，此Q-切換元件114吸收此自體輻射光子而達到一吸收飽和狀態；達到吸收飽和狀態之此Q-切換元件114便Q-切換此第一雷射共振腔11，使得此摻鉺增益介質113產生一第一雷射脈衝15。此第一雷射脈衝15有一部分便通過第二反射元件112而輸出至外界，而另有一部分之第一雷射脈衝15則被第二反射元件112反射回本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中。
    此第一雷射脈衝15使此摻鉺增益介質113在能階4 I 11/2與能階4 I 13/2之間瞬間產生正居量反轉，即是第一雷射脈衝15瞬間增益切換此第二雷射共振腔12，使得此摻鉺增益介質113續產生一第二雷射脈衝16，此第二雷射脈衝16則從此第二雷射共振腔12之第四反射元件112一端輸出至外界。
    請一併參考圖2，圖2係在本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，摻鉺增益介質所具之鉺離子(Er3+)的能階示意圖。如前所述，在摻鉺增益介質113受到激發光源14的激發後，摻鉺增益介質113之鉺離子便於能階4I13/2與能階4I15/2之間產生正居量反轉，而輻射出第一雷射脈衝15。此外，如圖2所示，鉺離子於能階4I13/2與能階4I15/2之間能量轉換所輻射出的雷射脈衝的波長係介於1.58μm至1.62μm之間。而於本實施例中，第一雷射脈衝15之波長係為1.6μm。
    接著，此第一雷射脈衝15使得此摻鉺增益介質113的4I13/2能階之群數居量瞬間被耗盡，使得此摻鉺增益介質113之鉺離子於能階4I11/2與能階4I13/2之間產生正居量反轉(positive population inversion)，此增益切換行為產生此第二雷射脈衝16。而如圖2所示，鉺離子於能階4I11/2與能階4I13/2之間能量轉換所輻射出的雷射脈衝的波長係介於2.5μm至3μm之間。而於本實施例中，第二雷射脈衝16之波長係為2.65μm。
    綜上所述，本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統所產生之2.65μm波長之雷射脈衝的機制係總結如下：激發光源14係先激發摻鉺增益介質113，使摻鉺增益介質113中之鉺離子於能階4I13/2與能階4I15/2之間發生正居量反轉，並自體輻射出光子，此Q-切換元件114吸收此自體輻射光子而達到一吸收飽和狀態；達到吸收飽和狀態之此Q-切換元件114便Q-切換此第一雷射共振腔11，使得此摻鉺增益介質113產生1.6μm波長之第一雷射脈衝15。之後，此第一雷射脈衝15使得此摻鉺增益介質113的4I13/2能階之群數居量瞬間被耗盡，使得此摻鉺增益介質113之鉺離子於能階4I11/2與能階4I13/2之間產生正居量反轉，此增益切換行為產生2.65μm波長之第二雷射脈衝16。接著，此第二雷射脈衝16便從第二雷射共振腔12之一端(如鄰近第四反射元件122之一端)輸出至外界。
    實施例2
    有關本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，則請參閱圖3，其係本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統的示意圖。如圖3所示，本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統包括：一激發光源耦合元件31、一可飽和吸收Q-切換光纖32、第一光纖布拉格光柵33、一第二光纖布拉格光柵34、一第三光纖布拉格光柵35、一摻鉺增益光纖36、及一第四光纖布拉格光柵37。
    再者，如圖3所示，於本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，第一光纖布拉格光柵33、第二光纖布拉格光柵34、摻鉺增益光纖36、及可飽和吸收Q-切換光纖32係形成一第一雷射共振腔300。此外，第三光纖布拉格光柵35、第四光纖布拉格光柵37、及摻鉺增益光纖36則形成一第二雷射共振腔301。
    其中，激發光源耦合元件31係包含一第一端311、一第二端312、及一第三端313。再者，可飽和吸收Q-切換光纖32係耦接於激發光源耦合元件31之第二端312，而第一光纖布拉格光柵33則耦接於可飽和吸收Q-切換光纖32之相對於激發光源耦合元件31的另一端。此外，第三光纖布拉格光柵35係耦接此發光源耦合元件31之第三端313，而摻鉺增益光纖36則耦接於第三光纖布拉格光柵35之相對於激發光源耦合元件31之一端。再者，第二光纖布拉格光柵34則耦接於摻鉺增益光纖36之相對於第三光纖布拉格光柵35之一端，而第四光纖布拉格光柵37則耦接於第二光纖布拉格光柵34之相對於摻鉺增益光纖36之一端。
    再者，上述之可飽和吸收Q-切換光纖之形式並無限制，而於本實施例中，可飽和吸收Q-切換光纖係為一摻銩可飽和吸收Q-切換光纖。除此之外，上述之摻鉺增益光纖係為一摻鉺氟化物光纖。
    除此之外，激發光源耦合元件31係用以將一激發光源314導入至本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，如圖3所示。再者，激發光源314如何產生並無限制，而於本實施例中，激發光源314係由一半導體雷射二極體所提供。再者，激發光源的波長較佳係介於0.95μm至1.01μm之間，而於本實施例中，激發光源之波長係為0.98μm。
    除此之外，於本實施例中，第一光纖布拉格光柵33及第二光纖布拉格光柵34之反射波長係為1.6μm，而第三光纖布拉格光柵35及第四光纖布拉格光柵37之反射波長係為2.65μm。再者，第一光纖布拉格光柵33及第三光纖布拉格光柵35的反射率係介於95%至100%之間，第二光纖布拉格光柵34的反射率係介於80%至100%之間，而第四光纖布拉格光柵37的反射率則介於4%至70%之間。
    以下，將詳述本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統之動作原理：首先，激發光源耦合元件31藉由其第一端311將一激發光源314導入本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，激發光源314並激發摻鉺增益光纖36。此時，摻鉺增益光纖36因受激發而呈現增益，並自體輻射出光子，此可飽和吸收Q-切換光纖32吸收此自體輻射光子而達到一吸收飽和狀態；達到吸收飽和狀態之此可飽和吸收Q-切換光纖32便Q-切換此第一雷射共振腔300，使得此摻鉺增益光纖36產生一第一雷射脈衝38。此第一雷射脈衝38有一部分便通過第二光纖布拉格光柵34而輸出至外界，而另有一部分之第一雷射脈衝38則被第二光纖布拉格光柵34反射回本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統內。
    此時，第一雷射脈衝38使此摻鉺增益光纖36在能階4 I 11/2與能階4 I 13/2之間瞬間產生正居量反轉，即是第一雷射脈衝38瞬間增益切換此第二雷射共振腔301，使得此摻鉺增益光纖36續產生一第二雷射脈衝39，此第二雷射脈衝39則從此第二雷射共振腔301之第四光纖布拉格光柵37一端輸出至外界。
    而由於在本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，摻鉺增益光纖所具之鉺離子於產生第一雷射脈衝及第二雷射脈衝時的能階變化係與圖2所示之本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統之摻鉺增益介質所具之鉺離子於產生第一雷射脈衝及第二雷射脈衝時的能階變化相同，故在此便不再贅述。
    經由上述說明可知，本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統所產生之2.65μm波長之雷射脈衝的機制亦可總結於下：激發光源314藉由激發光源耦合元件311被導入至本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，以激發摻鉺增益光纖36，使摻鉺增益光纖36中之鉺離子於能階4I13/2與能階4I15/2之間發生正居量反轉，並自體輻射出光子，此可飽和吸收Q-切換光纖32吸收此自體輻射光子而達到一吸收飽和狀態；達到吸收飽和狀態之此可飽和吸收Q-切換光纖32便Q-切換此第一雷射共振腔300，使得此摻鉺增益光纖36產生1.6μm波長之第一雷射脈衝38。之後，此第一雷射脈衝38使得此摻鉺增益光纖36的4I13/2能階之群數居量瞬間被耗盡，使得此摻鉺增益光纖36之鉺離子於能階4I11/2與能階4I13/2之間產生正居量反轉，此增益切換行為產生2.65μm波長之第二雷射脈衝39。而且，此2.65μm波長之第二雷射脈衝39係通過第四光纖布拉格光柵37而從本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統輸出至外界。
    上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
    11．．．第一雷射共振腔
    12．．．第二雷射共振腔
    13．．．激發光源輸入元件
    14．．．激發光源
    15．．．第一雷射脈衝
    16．．．第二雷射脈衝
    111．．．第一反射元件
    112．．．第二反射元件
    113．．．摻鉺增益介質
    114．．．Q-切換元件
    121．．．第三反射元件
    122．．．第四反射元件
    31．．．激發光源耦合元件
    32．．．可飽和吸收Q-切換光纖
    33．．．第一光纖布拉格光柵
    34．．．第二光纖布拉格光柵
    35．．．第三光纖布拉格光柵
    36．．．摻鉺增益光纖
    37．．．第四光纖布拉格光柵
    38．．．第一雷射脈衝
    39．．．第二雷射脈衝
    311．．．第一端
    312．．．第二端
    313．．．第三端
    314．．．激發光源
    300．．．第一雷射共振腔
    301．．．第二雷射共振腔
    圖1係本發明第一實施例之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統的示意圖。
    圖2係在本發明之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，摻鉺增益介質所具之鉺離子的能階示意圖。
    圖3係本發明第二實施例之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統的示意圖。
    11．．．第一雷射共振腔
    12．．．第二雷射共振腔
    13．．．激發光源輸入元件
    14．．．激發光源
    15．．．第一雷射脈衝
    16．．．第二雷射脈衝
    111．．．第一反射元件
    112．．．第二反射元件
    113．．．摻鉺增益介質
    114．．．Q-切換元件
    121．．．第三反射元件
    122．．．第四反射元件
    权利要求:
    Claims (15)
    [1] 一種Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，係包括：一第一雷射共振腔，該第一雷射共振腔係包含一第一反射元件、一第二反射元件、一摻鉺增益介質、及一Q-切換元件，且該第一反射元件與該第二反射元件係將該摻鉺增益介質及該Q-切換元件包圍於兩者之間；一第二雷射共振腔，該第二雷射共振腔係包含一第三反射元件、一第四反射元件、及該摻鉺增益介質，且該第三反射元件與該第四反射元件係將該摻鉺增益介質包圍於兩者之間；以及一激發光源輸入元件，係用以將一激發光源入射至該雷射系統中；其中，該激發光源係激發該摻鉺增益介質，使得該摻鉺增益介質在能階4 I 13/2與能階4 I 15/2之間產生增益，該Q-切換元件便Q-切換該第一雷射共振腔，使得該摻鉺增益介質產生一第一雷射脈衝，而該第一雷射脈衝係使得該摻鉺增益介質於能階4I13/2之群數居量被耗盡，使得該摻鉺增益介質在能階4 I 11/2與能階4 I 13/2之間產生正居量反轉，而使得該摻鉺增益介質產生一第二雷射脈衝，該第二雷射脈衝則從該第二雷射共振腔之該第四反射元件之一端輸出。
    [2] 如申請專利範圍第1項所述之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該Q-切換元件係為一主動式Q-切換元件、或一被動式Q-切換元件。
    [3] 如申請專利範圍第2項所述之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該被動式Q-切換元件係為一摻銩晶體、一摻銩玻璃、或一摻銩光纖。
    [4] 如申請專利範圍第1項所述之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該摻鉺增益介質係為一摻鉺晶體、一摻鉺氟化物玻璃、或一摻鉺氟化物光纖。
    [5] 如申請專利範圍第1項所述之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該激發光源之波長係介於0.95μm至1.01μm之間。
    [6] 如申請專利範圍第1項所述之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該第一雷射脈衝之波長係介於1.58μm至1.62μm之間。
    [7] 如申請專利範圍第1項所述之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該第二雷射脈衝之波長係介於2.5μm至3μm之間。
    [8] 如申請專利範圍第1項所述之Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該第一反射元件、該第二反射元件、該第三反射元件、及該第四反射元件係為一反射鏡、一鍍膜平面、或一光纖布拉格光柵。
    [9] 一種全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，包括：一激發光源耦合元件，係包含一第一端、一第二端及一第三端；一可飽和吸收Q-切換光纖，係耦接於該激發光源耦合元件之第二端；一第一光纖布拉格光柵，係耦接於該可飽和吸收Q-切換光纖之相對於該激發光源耦合元件的另一端；一第三光纖布拉格光柵，係耦接於該激發光源耦合元件之第三端；一摻鉺增益光纖，係耦接於該第三光纖布拉格光柵之相對於該激發光源耦合元件之一端；一第二光纖布拉格光栅，係耦接於該摻鉺增益光纖之相對於該第三光纖布拉格光柵之一端；以及一第四光纖布拉格光柵，係耦接於該第二光纖布拉格光柵之相對於該摻鉺增益光纖之一端；其中，該第一光纖布拉格光柵、該第二光纖布拉格光柵、該摻鉺增益光纖、及該可飽和吸收Q-切換光纖係形成一第一雷射共振腔，而該第三光纖布拉格光柵、該第四光纖布拉格光柵、及該摻鉺增益光纖係形成一第二雷射共振腔，該激發光源耦合元件係用以將一激發光源導入至該全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統中，該激發光源係激發該摻鉺增益光纖，使得該摻鉺增益光纖在能階4 I 13/2與能階4 I 15/2之間產生增益，該可飽和吸收Q-切換光纖便Q-切換該第一雷射共振腔，使得該摻鉺增益光纖產生一第一雷射脈衝，而該第一雷射脈衝係使得該摻鉺增益光纖於能階4I13/2能階之群數居量被耗盡，使得該摻鉺增益光纖在能階4 I 11/2與能階4 I 13/2之間產生正居量反轉，使得該摻鉺增益光纖產生一第二雷射脈衝，該第二雷射脈衝則從該第二雷射共振腔之第四光纖布拉格光柵之一端輸出。
    [10] 如申請專利範圍第9項所述之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該可飽和吸收Q-切換光纖係為一摻銩可飽和吸收Q-切換光纖。
    [11] 如申請專利範圍第9項所述之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該摻鉺增益光纖係為一摻鉺氟化物光纖。
    [12] 如申請專利範圍第9項所述之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該激發光源之波長係介於0.95μm至1.01μm之間。
    [13] 如申請專利範圍第9項所述之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該第一雷射脈衝之波長係介於1.58μm至1.62μm之間。
    [14] 如申請專利範圍第9項所述之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該第二雷射脈衝之波長係介於2.5μm至3μm之間。
    [15] 如申請專利範圍第9項所述之全光纖式Q-切換引發之增益切換鉺脈衝雷射系統，其中，該第二光纖布拉格光柵及該第四光纖布拉格光柵係整合為一光纖平切端面。
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