ρ 晶體光軸

光束分離將使倍頻光因能量無法累積而降低轉換效率，故分離角

3.3 腔內倍頻之被動式 Q 開關藍光雷射

圖 3.5 所示為高功率脈衝式藍光雷射的系統架構，其中包括雷射 二極體與聚焦透鏡構成的幫浦系統，增益介質及輸出透鏡形成的半對 稱式共振腔，加上作為 Q 開關的飽和吸收體，以及產生藍光的倍頻 晶體及偏振片(polarizer)等部分。下面將分別介紹這些部分以說明整 個雷射系統的工作原理。

幫浦光源：

雷射晶體的幫浦方式一般可分橫向幫浦(size pumping)與縱向幫 浦（end pumping），傳統上固態雷射多以閃光燈作為橫向幫浦光源，

如今則改用雷射二極體並做縱向幫浦以獲得較高的幫浦效率[16]。本 論文中分別使用 2 W與 3 W的高亮度(high brightness)雷射二極體作為 幫浦光源，其詳細資料如表 3-1 所示：

表 3-1 雷射二極體規格表

LD 型號 輸出功率 波長 譜線寬度 光束發散角

圖 3.5 高功率脈衝式藍光雷射之系統架構 雷射二極體

聚焦透鏡 增益介質

飽和吸收體 倍頻晶體

偏振片

輸出耦合透鏡

藍光雷射輸出

共振腔長度 散熱風扇

(W) (室溫,nm) (FWHM,n

m)

θ 7 θ ⊥

Polaroid

X9816A-P7881 2 806.6 2.0 2

°

10

°

Coherent

S-81-3000C-200-H 3 806.1 1.5 3.6

°

10.6

°

雷射二極體亮度 B 的定義為:

P：雷射輸出功率 A：二極體發光截面積

Ω

：二極體發光立體角

所謂高亮度雷射二極體，是指半導體在相同發光截面下能有較大 的雷射功率輸出，一般雷射二極體，100

µm

²的發光截面積約有 1 W 的輸出功率，本論文使用的雷射二極體，於相同的發光面積下，有 2 W 的雷射輸出，故稱高亮度的雷射二極體。由於高亮度半導體增益介 質中的功率密度是一般雷射二極體的兩倍，故所產生的高熱需靠良好 的散熱裝置移除，因此使用較大的散熱基座，並於二極體與散熱基座 的界面塗以散熱膏或墊加導熱銦片等，以防止雷射二極體極因過熱而 損壞。此外，本論文使用之雷射二極體在發光端面上皆載有橫向光纖 耦合透鏡（fiber-lens collimated），以矯正其垂直方向發散角。

本論文以厚度 1.5 mm 摻雜濃度 1.1%的 Nd:YAG 為增益介質，表 2-2 所列 Nd:YAG 的光學特性中可知其吸收頻寬約 1 nm，且本論文使 用之雷射二極體的輸出集中在 2 nm 的頻寬內，因此，利用雷射二極 體隨工作溫度改變輸出波長的特性(約 0.3 nm/℃)，可藉由控制其工作

= Ω A

B P

(3.13)

溫度，而改變 Nd:YAG 對幫浦光源的吸收深度(absorption depth)，以 得到最佳的雷射輸出功率。定義吸收深度為幫浦光源經增益介質吸收 而衰減成為原強度之 1/e 時的深度。因此增益介質對幫浦光的吸收率 越高，吸收深度越短。

上圖為調變雷射二極體波長所得到的藍光功率變化曲線，本實驗 以初始穿透率為 90%的 Cr⁴⁺:YAG 作為飽和吸收體，長 7 mm 的 BBO 作為倍頻晶體，在 1.6 W 的幫浦功率下，藉調變雷射二極體的工作溫 度(19∼29 ℃)以改變幫浦波長，觀察藍光平均功率的變化。實驗結果 顯示，藍光雷射的輸出功率隨幫浦波長而有明顯的變化，但最高的藍 光輸出卻不是在 Nd:YAG吸收深度最淺的時候，而是幫浦波長為 806.6 nm 吸收深度為 Nd:YAG 長度的 1.33 倍時。吸收深度過淺表示 Nd:YAG 對幫浦光源強烈吸收導致面對幫浦光源的一端增益大於另一端，增益 較小的部分，因其雷射上能階電子較少，故重複吸收損耗的效應增 加，造成雷射輸出功率降低。

圖 3.6 吸收深度及藍光平均功率與幫浦波長的關係

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

805 806 807 808

雷射二極體波長 (nm)

吸收深度增益介質長度

0 1 2 3 4 5 6

藍光平均功率 (mW)

T

₁

T

₂

對 CW 的準三能階 IR 雷射其幫浦閥值 P_th可由(3.14)式決定

N₀：基態能階的電子分佈量

自聚焦透鏡（GRIN lens）是個體積小、集光力強的聚焦透鏡，

適當的調整與雷射二極體及增益介質間的距離，能改變幫浦光點的模

0.29 pitch 的自聚焦透鏡，因聚光點極接近其輸出端面，即使 Nd:YAG 與透鏡間的距離小於 0.1 mm，也無法得到最佳的模態匹配

（mode matching），如圖 3.7 (a)，且極易因擦撞而破壞 Nd:YAG 的高 反射鍍膜，故以 0.25 pitch 的自聚焦透鏡取代。如此透鏡與增益介質 間的距離增加，有助於最佳化雷射的模態匹配，如圖 3.7 (b)。

雷射共振腔：

本實驗採取半對稱式共振腔（half symmetric cavity）如圖 3.1。輸 出耦合透鏡及增益介質面對幫浦光源的端面分別鍍上對基頻光高反 射的介電質鍍膜（dielectric coating）。此外，為了使 Nd:YAG 有較均 勻的增益，輸出耦合透鏡上的鍍膜除了對基頻光高反射外還同時對幫 浦光高反射，以反射未完全吸收的幫浦光達到雙向幫浦的作用。

考慮共振腔穩定性，定義穩定因子 g₁、g₂

其穩定條件為

1

1 R

1 L

g

= −

(3.18)

2

2 R

1 L

g

= −

_(3.19)

其中 R₁=∞，穩定因子 g₁為 1，(3.10)可變換如下

因此當不考慮熱透鏡效應(thermal-lens effect)時，共振腔長度 L 小於輸出透鏡的曲率半徑 R2，便是一穩定的共振腔。

倍頻晶體：

依照雷射系統的需求，選擇適當的倍頻晶體，是產生高效率倍頻 的重要條件。KTP 因具有高非線性係數、高損壞閥值、及較大的可 接受角等優點，廣泛的應用在綠光雷射中，具有很高的轉換效率，

可惜其能達到相位匹配的二次諧波輸出波長在 492∼1700 nm 之 間，對於輸出波長 473 nm 的藍光雷射而言，並不適用，因此本論 文使用 KNbO₃、BBO 及 LBO 三種不同晶體作為產生藍光的倍頻晶 體，並將其特性整理如下表：

表 3-2 倍頻晶體之特性比較

倍頻晶體 KNbO₃

β

-BBO LBO

英文名稱 Potassium Niobate Beta Barium Borate Lithium Triborate

晶體尺寸 4x4x7 mm 3x3x7 mm 3x3x8 mm

相位匹配角度 Θ=90°,φ=65.8° Θ=25.7°,φ=0° Θ=90°,φ=15°

鍍膜

S1-AR@913/456 nm

S2-AR@913/456 nm

S1-AR@913/456 nm

S2-AR@913/456 nm

S1-AR@947/473 nm S2-AR@947/473 nm

1 g g

0 ≤

_{1 2}

≤

(3.20)

R2

L

0

≤ ≤

(3.21)

折射率

n_a=2.22

nb=2.26 @1064 nm n_c=2.12

n_o=1.66

n_e=1.54 @1064 nm

n_x=1.57

ny=1.59 @1064 nm n_z=1.61

透明範圍 400 - 4500 nm 190 - 3500 nm 160 - 2600 nm 有效非線性係數

(相較於 KDP) 37-45 3.9-4.4 1.5

可接受角 0.24 mrad-cm 0.2-0.5 mrad-cm 0.9 mrad-cm

溫度頻寬 0.3 ℃-cm 55 ℃-cm 4 ℃-cm

Walk-off angle 0.79° 3.2° -

光損害閥值 0.35 GW/cm² 5 GW/cm² 18.9 GW/cm²

其他 雙光軸晶體 單光軸晶體 雙光軸晶體

KNbO₃的最大優點是其非線性係數是 KDP 晶體的 37-45 倍但因 可接受角較低易影響倍頻的效率。同時其光損害臨界值較低的特性也 限制了在高功率雷射中的應用，此外，由於溫度頻寬只有 0.3 ℃-cm，

一旦晶體溫度變化較大，折射率改變所導致的相位不匹配，將降低其 轉換效率，若要有穩定且高功率的倍頻輸出需對晶體溫度加以控制在

±

0.1 ℃的變化範圍內。BBO 是一個單光軸的非線性晶體，具有高非 線性係數、高損害臨界值與極大的溫度頻寬等優點，其可相位匹配的 波長範圍極寬(410-3500 nm)，常使用在各種非線性的雷射應用，但因 雙折射性大使其具有較大的 walk-off anlge，不僅限制晶體的使用長 度，也使倍頻光的輸出模態變得較差。相較之下 LBO 則是屬於較新 的非線性晶體，光損害臨界值極高，其雙折射性較 BBO 小，有較大 的可接受角及接近於零的 walk-off anlge，故可使用較長的晶體以提高 轉換效率，1.5 倍於 KDP 的非線性係數，則是三種倍頻晶體中最小的，

雖然可透過 NCPM 的方式提高非線性係數，卻需要額外的加熱爐 (oven)以控制晶體的溫度於 148 ℃，因此不適用於體積小的雷射系統

40

中。

圖 3.8 為以 90 % Cr⁴⁺:YAG 及輸出透鏡 R₂=5 cm 的實驗架構下，

三種不同倍頻晶體所產生藍光脈衝峰值功率的比較，觀察其實驗結 果，具有最高非線性係數的 KNbO₃，在 1.6 W 的幫浦功率下最大的藍 光峰值功率卻只有 0.1 W，遠小於 BBO 的 37.4 W 及 LBO 的 24.2 W，

究其原因，除因較小的可接受角限制其轉換效率外，在沒有溫度控制 的情況下，雷射操作過程中造成晶體的溫度變化超過其溫度頻寬，很 可能是導致 KNbO₃藍光功率如此低落的主要原因。相較於 LBO，BBO 雖可接受角較小，但其非線性係數是 LBO 的 2.6-2.9 倍，在晶體長度 只相差 1 mm 的情況下，得到較高的藍光脈衝峰值功率是非常合理的 結果。

15 20 25 30 35 40

(W)

0 5 10 15 20 25 30 35 40

1300 1400 1500 1600 1700

幫浦功率 (mW)

在文檔中 腔內倍頻之被動式Q開關藍光雷射 (頁 30-40)