光柵式輸出耦合鏡波長可調雷射之量測

圖 4-20 為光柵式輸出耦合鏡之可調雷射架構圖，與前述的平面式架構大致相 同，唯輸出耦合鏡替換為 3.2 節中介紹的閃耀光柵(Newport, 33009FL01-266R)，調 制雷射於腔內極化(短軸, c-axis)為光柵之 S 極化方向，期望能以較高的第一階繞射 效率沿原入射方向回去晶纖，形成雷射共振腔，其長度設計為 20.4 cm，而光柵之 零階繞射則作為正向雷射輸出。藉由旋轉光柵調整入射光的角度θi，達到可調波長 雷射輸出，其關係如式(4.15)，a 為 1.111 μm/per groove、m=1，當入射角 θi為 21.10°

時，其對應之雷射波長為 800 nm，於可調波長範圍 700~940 nm 內接近一直線，調 制角度共約 6.62°，關係如圖 4-19 所示。此架構需要注意則是當光柵旋轉 Δθ，其 零階輸出光會旋轉 2Δθ 角度，對於正向輸出使用上有困難，因此後續使用上以背 向為主要輸出，其晶纖端面鍍膜穿透率如圖 4-8。

圖 4-19 雷射輸出波長與光柵入射角(θ_i)之關係圖

圖 4 - 2 0 光 柵 式 輸 出 耦 合 鏡 可 調 波 長 雷 射 架 構 圖 (LD: laser diode, LPF: long-wavelength pass filter, OSA: optical spectrum analyzer

PM: power meter, CCD: charge-coupled device)

𝑎 𝑠𝑖𝑛(𝜃_𝑖) = 𝑚𝜆 (4.15) 圖 4-21 及圖 4-22 分別為可調波長雷射於 782.37 nm 之正向及背向輸出功率與 幫浦光功率關係圖。橘點為實驗量測值，藍線則為利用數值模擬程式之模擬結果。

於光柵之零階繞射方向量測正向雷射功率，以長通濾波片(Thorlabs, FGL590, HR:

520 nm, T: 90% at 650~1100 nm)將正向雷射輸出中殘存的幫浦光過濾。使用損耗較 低的非球面準直透鏡，其雷射閥值為 421.0 mW，正向和背向雷射斜線效率分別為 4.92%和 1.36%。其雷射於 782.37 nm 輸出頻譜如圖 4-23，其雷射線寬半高寬為 0.071 nm。而正向雷射模態亦表現於圖 4-21，其輸出接近基模(fundamental mode)，圖 4-24 為用 CCD 量測的結果，不如平面鏡作為輸出耦合鏡時的模態接近基模，模態表現 上隨著波長調制而改變。

圖 4-21 正向(from grating 0^th)雷射功率與幫浦光功率關係圖及其模態

圖 4-22 背向雷射功率與幫浦光功率關係圖

圖 4-23 可調雷射於 782.37 nm 之輸出頻譜

圖 4-24 雷射背向輸出之模態能量分布圖

根據圖 3-14，雖然於 780 nm 對於 S 及 P 極化之第一階繞射效率比值約 1.7 倍，

原本預期以光柵作為輸出耦合鏡的雷射輸出極化將優於平面式架構。但量測結果 如圖 4-25，光柵式背向輸出之消光比值(extinction ratio)經計算得 11.55，小於平面 式的 24.71，原因可能為雷射閥值較高，殘留的自發輻射(amplified spontaneous emission)功率較高，因自發輻射 σ 極化與 π 極化都有，因此在量測消光比值時，也 會在垂直於雷射輸出極化方向上有貢獻，且由於雷射斜線效率不高，自發輻射佔 量測到的總能量的比例較平面鏡式雷射高，因此獲得較低的消光比值。

圖 4-25 背向(輸入端)雷射輸出之消光比量測圖(0°為輸出雷射極化方向)

圖 4-26 為光柵式可調波長雷射之背向輸出功率對波長分布圖，其輸出功率之 變化大致符合 2.1 節介紹之摻鈦藍寶石增益頻譜。當幫浦光功率為 1521 mW 時，

其波長連續可調範圍為 719.56~910.42 nm，其可調頻寬為 190.86 nm，3 dB 頻寬為，

受限於輸入端鍍膜高反射率區間，在長波長處輸出功率上升，原因為已經離開輸 入端膜層高反射率區間，且光柵的繞射效率大致上是以 800 nm 為中心最低點，往 兩側隨著波長遠離 800 nm 而 1^st繞射效率增加，因而雷射閥值增加的速度較緩慢，

抵銷了部分隨著波長增加而輸出功率下降的效應。輸出功率的震盪是由於多縱向 模態輸出，將於 4.3.2 節詳細分析，表 4-3 為可調波長式摻鈦藍寶石雷射之比較，

由表中可知，使用非球面準直透鏡之雷射架構在差不多的可調範圍下，其 3 dB 頻 寬較使用消色差透鏡之雷射架構窄，因寬頻的可調區間，導致非球面透鏡離可調 中心較遠的波段，有較大的色散影響，且由於雷射打在光柵表面的點與光柵底座 旋轉中心有些許誤差，在旋轉底座時會造成雷射腔體長度的改變，增加了由調整 功率最大化的波長往兩側的閥值增加速率，閥值較高的原因為更換使用的條紋數 較少，繞射效率較低的光柵。

圖 4-26 可調波長雷射之背向輸出功率對波長分布圖

表 4-3 可調式摻鈦藍寶石雷射之比較

waveguide Bulk Bulk(product) Ti3+ doping

本論文所使用之閃耀光柵在接近 Littrow configuration 的結構下，其第一階繞 射效率於 780 nm 為 67%，若想確定其第零階繞射效率，可以藉由雷射理論模型來

表 4-5 可調波長式雷射數值模擬之相關參數

參數 本論文

Lasing wavelength(nm) 782.37

Absorption cross section at 520 nm (cm²) 5.7  10^-20[39]

Emission cross section at 790 nm (cm²) 2.4  10^-19[39]

Average fluorescence lifetime (μs) 3.0 Attenuation coefficient at 520 nm (cm^-1) 0.717 Single-mode propagation loss at lasing wavelength (cm^-1) 0.017 Reflectance of HR coating at lasing wavelength 96.1

Transmittance between CF output and OC 91.3 Ti³⁺ doped concentration (wt.%) 0.0342 Reflectance of blazed grating at 1^st order (%) 67 Reflectance of blazed grating at 0^th order (%) 12.4