3-1 緒論
由自發輻射光譜，我們可以推測晶體可能的受激輻射。在第二章中，我們發現當溫 度降低時，部分晶體會有原先自發輻射強度較強之峰值被附近其他峰值超越的現象，故 在此我們以 Nd:YAG 晶體、Nd:YLF 晶體驗證是否因溫度降低，而發出不同波長之雷射 或雙波長雷射。
3-2 低溫下 Nd:YAG 雷射特性
實驗的架構與第二章的低溫系統相同，如圖 3-2-1 所示，但銅座中的晶體換成鍍有 鏡面當作共振腔之單塊晶體(monolithic crystal)。又 Nd:YAG 晶體為各向同性材料，並無 偏振，故不需要偏振分光鏡。
由 2-2a 節，圖 2-2a-6 及圖 2-2a-7，可知溫度 290 K 時，Nd:YAG 晶體之自發輻射峰 值 1064 nm 峰值強度較 1061 nm 峰值強度強，隨溫度逐漸降低，1064 nm 峰值強度逐漸 變弱，1061.7 nm 峰值強度逐漸變強，降至 170 K 後，1064 nm 峰值強度較 1061 nm 峰值 強度弱。可推斷降到低溫後，Nd:YAG 晶體有機會產生 1061 nm 及 1064 nm 雙波長雷射。
我們在實驗中 [52]所使用的 1.1 at.% Nd:YAG 晶體，長度 5 mm，直徑 3 mm，前端 鍍有 808 nm 高穿透率(high-transmission, T > 95 %)鍍膜和 1030~1100 nm 高反射率(high-reflection, R > 99.8 %)鍍膜。出光端鍍有 1060~1070 nm 部分反射 (partial-高反射率(high-reflection, R = 95%) 鍍膜。以波長 808 nm 之雷射二極體做為激發光源。
由圖 3-2-2 可知，Nd:YAG 雷射在輸入功率 20 W，溫度 210 K 以下，可產生 1061 nm 與 1064 nm 雙波長雷射。而這兩個峰值與第二章量測之自發輻射光譜一樣有隨溫度 降低，峰值強度轉換及峰值位置藍移之現象。
由圖 3-2-3 發現，雷射在溫度 90 K 到 290 K 的光轉換效率大致都在 60%，並沒有隨
102
溫度降低而提升之現象。可見 1061 nm 與 1064 nm 雙波長雷射之總輸出功率是一樣的，
但會隨著溫度而消長。
圖 3-2-4 為以輸入功率 3.4 W、7.5 W 和 20 W，雷射波長 1061 nm 與 1064 nm 輸出 功率隨溫度之變化，由圖 3-2-4 (c)可以推斷在溫度 152 K 時，1061 nm 與 1064 nm 雷射 之輸出功率皆為 6 W，達到雙波長雷射輸出功率相同。
圖 3-2-5 顯示輸入功率強度越強，達到雙波長雷射輸出功率一致所需的最佳溫度就 需要越低。原因是當輸入功率越強時，晶體內部之溫度越高，故需要再降低晶體溫度，
來達到雙波長雷射輸出功率一致。此圖找出不同輸入功率下，要達到雙波長雷射輸出功 率相同所需之溫度。
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圖 3-2-1 Nd:YAG 晶體雙波長雷射實驗架構圖
Coupling lens
Cryostat head
Cryostat
Vacuum chamberOptical window
Cu holder Monolithic
crystal
Thermo couple
Laser diode
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圖 3-2-2 Nd:YAG 晶體以輸入功率 20 W，在波長範圍 1059 nm 到 1068 nm，溫度 210 K 至 90 K 的雷射光譜圖。
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圖 3-2-3 不同溫度下，輸出功率隨輸入功率之變化圖
圖 3-2-4(a) 以 3.4 W 之輸入功率，雷射波長 1061 nm 與 1064 nm 輸出功率隨溫度之變化
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圖 3-2-4(b) 以 20 W 之輸入功率，雷射波長 1061 nm 與 1064 nm 輸出功率隨溫度之變化
圖 3-2-4(c) 以 20 W 之輸入功率，雷射波長 1061 nm 與 1064 nm 輸出功率隨溫度之變化
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圖 3-2-5 改變輸入功率強度，達雙波長雷射輸出功率一致之最佳溫度
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3-3 低溫下 Nd:YLF 雷射特性
由 2-2c 節，圖 2-2c-6 至圖 2-2c-8，可知溫度 290 K 時，π 偏振 1047 nm 峰值強度較 σ 偏振 1053 nm 峰值強度強，隨溫度逐漸降低，π 偏振 1047 nm 峰值強度，先是變強，
到 150 K 後，開始變弱，而σ 偏振 1053 nm 峰值強度持續變強。溫度降至 150 K 後，σ 偏振 1053 nm 峰值強度較π 偏振 1047 nm 峰值強度強。由此推斷降到低溫後，Nd:YLF 晶體有機會產生 1047 nm 及 1053 nm 雙波長雷射。
實驗架構與第二章的低溫系統大致相同，但以波長 806 nm 內徑 400 μm 之光纖耦合 二極體雷射做為激發光源，並在低溫恆溫器(cryostat)前加上曲率半徑 350 mm，鍍有 808 nm 高穿透率(T > 95 %)鍍膜和 1050 nm 高反射率(R > 99.8 %)鍍膜之前鏡(front mirror)，
雷射出光端加上鍍有 1050 nm 部分反射 (R = 97 %) 鍍膜之輸出耦合鏡(output coupler)，
如圖 3-3-1 所示。
由圖 3-3-2 可知，Nd:YAG 雷射在輸入功率 7.9 W，溫度 140 K 至 136 K 間，可產生 1047 nm 與 1053 nm 雙波長雷射。
由圖 3-3-3 發現，雷射在溫度 90 K 到 250 K 的光轉換效率大致都在 39 %，並沒有 隨溫度降低而提升之現象。可見 1047nm 與 1053 nm 雙波長雷射之總輸出功率是一樣的，
但會隨著溫度而互有消長。
圖 3-3-4 為分別以輸入功率 7.9 W、4.6 W 及 2.9 W，雷射波長 1047 nm 與 1053 nm 輸出功率隨溫度之變化。由此圖可以推斷當輸入功率 7.9 W，在溫度 138 K 時，可達到 雙波長雷射輸出功率皆為 1.55 W。
圖 3-3-5 跟 3-2 節所討論的 Nd:YAG 晶體一樣，都因為輸入功率提高，造成晶體內 部溫度提高，而需要更低的環境溫度，來達到雙波長雷射輸出功率相同。
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圖 3-3-1 Nd:YLF 晶體雙波長雷射實驗架構圖
Coupling lens
Cryostat head
Cryostat Vacuum
chamber Optical window
holder Cu Nd:YLF
Thermo couple
Laser diode
Front mirror
Output coupler
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圖 3-3-2 Nd:YLF 晶體以輸入功率 7.9 W，在波長範圍 1030 nm 到 1070 nm，溫度 210 K 至 90 K 的雷射光譜圖。
1030 1040 1050 1060 1070
Wavelength (nm)
In te n si ty ( ar b . u n it )
160 K
140 K
138 K
136 K
125 K
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圖 3-3-3 不同溫度下，輸出功率隨輸入功率之變化圖
圖 3-3-4(a) 輸入功率 7.9 W，雷射波長 1047 nm 與 1053 nm 輸出功率隨溫度之變化
0 2 4 6 8
0 1 2 3
T ot al o ut p ut po w er ( W )
Incident pump power
290K 250K 210K 170K 130K 90K
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圖 3-3-4(b) 輸入功率 4.6 W，雷射波長 1047 nm 與 1053 nm 輸出功率隨溫度之變化
圖 3-3-4(c) 輸入功率 2.9 W，雷射波長 1047 nm 與 1053 nm 輸出功率隨溫度之變化
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圖 3-3-5 改變輸入功率強度，達雙波長雷射輸出功率一致之最佳溫度
0 1 2 3 4 5 6 7 8
135 138 141 144 147 150
153 Exp. results
Linear fit
O p ti m al t em p er at u re ( K )
Pump intensity (kW/cm
2)
114