可調式雷射

z [導論]

以往，我們在光學參數振盪（OPO）的實驗過程中，其 OPO 的腔體的組成大 部分都是由兩面鏡子中間置入一各非線性晶體；為了精簡結構，我們會將兩面鏡 子拿掉，直接在非線性晶體上鍍膜，將非線性晶體直接變成 OPO 的腔體。如此 一來，我們雖然將整各腔體結構縮短，但也面臨到另一個問題：由於非線性晶體 有鍍上高反射膜，因此在調光上，非線性晶體的調制容易造成功率不穩，其數值 上下振盪幅度約十幾二十 mω，且容易使得非線性晶體有打斑的現象。除此之 外，在晶體上鍍膜，需把要鍍膜的晶體面立起來，對於體積小的晶體而言，本身 就有點困難，對於薄型的晶體鍍膜，更加深了操作的困難度。

由 5.2 改變腔體的實驗當中，我們得知 two-mirror 的腔體對實驗穩定度比較 好，於是我們將此概念運用到非線性晶體的應用，除了精簡實驗架構外，預期還 可增加實驗的穩定度。另一方面，由於非線性晶體也不需要鍍上高反射的薄膜，

於是也降低了非線性晶體受高功率光源而損害的機率。

z [前言]

首先，我們使用 PPLN，由於其折射率具有隨溫度變化的特性，而折射率會 牽扯到相位的匹配(phase matching)，進而會影響到信號光（signal）以及閒滯光

（idler）的波長。以往，已經有人利用 PPLN 晶體，來做可調式的雷射(tunable laser)。實驗上，利用溫控來調節波長，確實增加了雷射使用的彈性度。實驗採 用腔內 OPO 的架構，需要在 PPLN 上鍍上 1573nm 高反射膜以及 1064nm 高穿透 膜。PPLN 上鍍上高反射的膜，技術上就有點困難，並且當激發功率過高，可能 會造成光學損害(optical damage)，容易有打斑現象。

於是，我們改用(two-mirror)的腔，來做 PPLN 的溫度調控波長的實驗，此架

構不須在 PPLN 上鍍膜，對於技術上，這是一大便利，同時又能減低高功率所造 成的光學損害。將 PPLN 接上加熱器，除探討其信號光波長隨溫度變化的關係之 外，我們也要加以討論實驗的便利性。

另一方面，我們使用了三種不同的增益介質：Nd:YVO4、Nd:GdVO4以及 Nd:Gd_0.7Y_0.3VO₄。將分別討論，三種不同增益介質來激發腔內光學參數振盪器，

其輸出功率、脈衝的不同。

z [實驗架構]

延續 5.2 的架構，以下我們都將使用 two-mirror 的腔。在 5.3 我們將使用不 同非線性晶體，來做腔內光學參數振盪器的腔體研究。

我們使用完全重疊（shared）的腔（two-mirror），如圖 5.3-1。在 two-mirror

內所使用的 PPLN 為 20mm 長，週期 Λ=29.6μm，其兩面同時鍍上，對 1064nm 以及 1573nm 的抗反射膜。將 PPLN 置於加熱爐上，並接上溫度控制器，用來控 制 PPLN 的溫度。因此，在 two-mirror 結構下， OPO 腔體主要就由鍍膜的前鏡、

以及鍍膜的 Cr⁴⁺:YAG 晶體組成。所以，OPO 腔體也跟雷射腔體完全重疊了。整 體的雷射腔體以及 OPO 腔體長度大約都是 59mm，將之代入後面的理論分析，

可發現這樣的腔體長度，在光模與激發光源之間提供了很適當的模態匹配，且在 飽和吸收體上也能得到適當的光斑大小。

另一方面，我們使用的三種不同增益介質，分別如下：0.25%Nd³⁺，7-mm 長的 a 切割 Nd: YVO4；同樣摻雜 0.25%Nd³⁺，8-mm 長的 a 切割 Nd: GdVO4；以 及摻雜 0.27%Nd³⁺，8mm 長的 a 切割 Nd:Gd0.7Y0.3VO4，此時 Gd 與 Y 混的比例 為 0.7:0.3。此三種雷射晶體的兩端面都鍍上 1064nm 波長抗反射膜(R<0. 2%)。比 較三種不同增益介質，所得的實驗結果。

z [理論分析]

根據文獻上的記載，我們找出了兩個關於 PPLN 的 Sellmeier equation。接下

來，我們將個別使用兩種 Sellmeier equation 來與我們實驗的結果做比較：

1. 首先，

需要符合相位匹配(Phase matching)：

考慮動量守恆以及動能守恆 a2:=0.100473 a3:=0.20692 a4:=100 a5:=11.34927 a6:=1.5334 10⋅ ⁻²

Sellmerier equation

所得：

0.36nm/⁰c

。

2.

另一各，

PPLN

的

Sellmerier equation

考慮進來，

溫度(⁰)

波長(µm)

2 2 1 2

Sellmerier equation 所得：0.45nm/⁰c。

PS.所使用的 PPLN 材料的週期 Λ=29.6μm，與所模擬出來的值 Λ=29.75μm 左右，其之間的差距乃來自於顯微鏡下所觀察的週期會有邊界上的誤差。

快速鍺質光二極體經由 LeCroy 9326 數位示波器(500MHz 頻寬)來紀錄，其脈衝

與脈衝間的振盪幅度大約為 ± 10 % 。

率的飽和值個別約為 35.7kHz、35.7kHz、41.7kHz 以及 41.7kHz。另一方面，在 110⁰c、145⁰c 以及 180⁰c 一開始的脈衝能量約正比於輸入功率，而在輸入功率個 別約 11W、11W 以 13W 及時，脈衝能量會達到飽和，其飽和的數值分別為 23.5μJ、20μJ 以及 20μJ，脈衝能量的飽和現象說明了良好的被動式 Q 開關條 件已經達到了(請參閱本論文第二章討論)；但在 75⁰c，其脈衝能量同樣正比於輸 入功率，卻未達飽和現象。再由圖 5.3-5，我們得知分別在 75⁰c、110⁰c、145⁰c 以及 180⁰c，其脈衝功率個別約為 13.3kW、12kW、11kW 以及 11kW。示波器紀 錄的激發光以及訊號光的脈衝波形，如圖 5.3-7、圖 5.3-8，使用 two-mirror 架構 的時候，其脈衝寬度約為 1.8~1.9ns。同樣是 two-mirror 架構，我們可以得到 mode-lock(如圖 5.3-8)以及非 mode-lock(如圖 5.3-7)的情形。照理說，two-mirror 的架構下，我們會比較容易去取得 mode-lock 的圖形，但使用了 PPLN 此非線性 晶體後，我們卻發現出現非 mode-lock 的情形會比較多。

另一方面，我們將要研究關於改變溫度，讓訊號光的波長位移。實驗所得的 結果如圖 5.3-6，溫度從 30⁰c~180⁰c，每隔 10⁰c 紀錄一組數據。其波長位移的範 圍從 1520nm~1580nm，約 0.4nm/⁰c。而我們帶入 Sellmeier equation 來計算，所 得的理論數據約為 0.36nm/⁰c，其值相差不多。而由圖可以發現，我們實驗數值 比較接近 Opt.Lett 的曲線；更近一步的說來，我們實驗數據落於兩者的理論分析 之間，或許將兩者的 Sellmeier equation 做些調整，將會是一個更接近實驗的理論 分析。

由圖 5.3-9，使用三種不同增益介質，所得到的訊號光輸出波長與溫度的關 係，可以發現三者的曲線幾乎重疊；仔細分別，同一溫度下，Nd:Gd0.7Y0.3VO4 波長稍微長一點。

由圖 5.3-10，入射光功率在 15W 以下，Nd:GdVO4 具有較高的訊號光輸出 光功率；入射光功率在 15W 以上，Nd:YVO4 具有較高的訊號光輸出功率。同樣 在入射光功率 15W 時，使用三種增益界質 Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:Gd^0.7Y0.3VO4 分別可得到的訊號光輸出功率為 0.92W、0.84W 以及 0.8W。

由圖 5.3-10，入射光功率在 15W 以上，Nd:GdVO4 具有較高的訊號光輸出 脈衝能量；總體看來，Nd:YVO4 具有相對小的脈衝輸出功率。同樣在入射光功 率 15W 時，使用三種增益界質 Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:Gd^0.7Y0.3VO4 分別可 得到的訊號光輸出脈衝能量為 15µJ、20µJ 以及 31µJ。

對於產生 Q 開關的增益介質，Nd:Gd0.7Y0.3VO4 似乎比起 Nd:YVO4、

Nd:GdVO4 來的好。

z [結論]

使用雷射二極體激發被動式 Q 開關 Nd:GdVO₄/PPLN/Cr⁴⁺:YAG 腔內光參數 振盪器人眼安全雷射系統，我們探討了溫度對輸出功率的關係、以及對輸出訊號 光波長的關係。

(1)溫度對輸出功率的關係

在入射功率同樣在 15W 的條件下：

溫度

Average output power(W)

PulseWidth (ns)

Repetition Rate (kHz)

PulseEnergy (μJ)

PeakPower (kW)

75⁰c 0.9 1.9 35.7 25.2 13.3

110⁰c 0.84 1.9 35.7 23.5 12

145⁰c 0.84 1.8 41.7 20 11

180⁰c 0.83 1.8 41.7 20 11 表 5.3-1 不同溫度得到不同的輸出功率

(2)溫度對輸出訊號光波長的關係

溫度從 30⁰

c 到 180

⁰

c，其訊號光輸出波長可從 1520nm 位移到 1580nm。其斜率

約為 0.4nm/

⁰

c，，相距甚近。

改用 two-mirror 結構，我們仍能得到可調式雷射，增加雷射使用的彈性，且操作 上也較便利了。

(3)使用不同增益介質

溫度從 30⁰

c 到 180

⁰

c，使用三種增益介質，其訊號光輸出波長範圍都差不多。由 下表可看出來：同各溫度下，Nd:Gd

0.7Y0.3VO4

具有稍微長一點的輸出光波長。

75⁰

c

110⁰

c

145⁰

c

180⁰

c

Nd:YVO4 1533.6nm 1547.2 nm 1561.3 nm 1578 nm Nd:Gd0.7Y0.3VO4 1534 nm 1547.5 nm 1564 nm 1583.5 nm

Nd:GdVO4 1533 nm 1546 nm 1560 nm 1579 nm

表 5.3-2 不同增益介質在不同溫度下的輸出訊號光波長 另一方面，三種增益介質所的的輸出特性如下表。

同樣入射光波長在 15W 時，

表 5.3-3 同一各溫度下，不同增益介質輸出功率的基本訊息

使用

Nd:YVO4、Nd:GdVO4、

Nd:Gd_0.7Y_0.3VO4 三種不同增益介質，其平均輸出 功率都差不多，但是，對於脈衝光而言，使用 Nd:Gd_0.7Y_0.3VO4 當增益介質可以 得到比較好的功率、能量。

Crystal

OutputPower (W)

PulseWidth (ns)

Frequency (kHz)

PulseEnergy (µJ)

PeakPower (kW)

0.25%

Nd:YVO4 0.88 1.72 62.5 14.03 8.16

0.2%

Nd:Gd0.7Y0.3VO4

0.8 1.68 27.8 33 19.64 0.27%

Nd:GdVO4 0.84 1.82 41.7 20.23 11.12

圖 5.3-1 實驗架構圖，使用非線性晶體 PPLN，來討論二極體雷射激發被動式 Q 開關 Nd 摻雜 /Cr:YAG，以產生腔內 OPO 的相關實驗研究。我們將改變溫度，研究關於訊號光波長隨著溫 度變化的關係。並探討在不同溫度下，所得到的輸入功率與輸出功率、重複率、脈衝能量以及 脈衝功率的關係。

Incident pump power (W)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Av er age output pow e r(W)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

75 ⁰c 110⁰c 145⁰c 180⁰c Plot 1 Regr

圖 5.3-2 分別在 75⁰c、110⁰c、145⁰c 以及 180⁰c，所個別得到訊號光波長的平均輸出功率與輸 入功率的關係圖。

Coupling lens

L

La as se er r & & o op po o c ca av vi it ty y

808nm 1:1

LD

Nd:GdVO

⁴

Temperature controller

PPLN

Incident pump power (W)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Repetition rate (kHz)

0 10 20 30 40 50

75⁰c 110⁰c 145⁰c 180⁰c

圖 5.3-3 分別在 75⁰c、110⁰c、145⁰c 以及 180⁰c，所個別得到訊號光波長的脈衝重複率與輸入功 率的關係圖。

Incident pump power (W)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Pu lse en erg y ( µJ)

0 5 10 15 20 25 30

145 ⁰C Plot 1 Regr 75 ⁰C Plot 2 Regr 110 ⁰C Plot 3 Regr 180 ⁰C Plot 4 Regr

圖 5.3-4 分別在 75⁰c、110⁰c、145⁰c 以及 180⁰c，所個別得到訊號光波長的脈衝能量與輸入功率 的關係圖。

Incident pump power (W)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Peak pow e r (kW)

0 2 4 6 8 10 12 14

75⁰c 110⁰c 145⁰c 180⁰c Plot 1 Regr

圖 5.3-5 分別在 75⁰c、110⁰c、145⁰c 以及 180⁰c，所個別得到訊號光波長的脈衝功率與輸入 功率的關係圖。

PPLN

T(0C)

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

wavelength(µm)

1.51 1.52 1.53 1.54 1.55 1.56 1.57 1.58

Nd:GdVO4

Eckardt,J.Opt.Sec.Am.B,8,3,1991

Dieter H.Jundt,Optics Lett.,22,20,1553,1997

圖 5.3-6 實心的點所代表的為實驗所得的輸出訊號光波長與控制 PPLN 溫度的關係。空心的點 所代表的是 Sellmeier equation fitting 下的結果。

圖 5.3-7 在 TWO-MIRROR 架構下，所得到的激發光以及訊號光的輸出波形，此圖為激發輸入 功率小於 10W 所取得的圖型。

圖 5.3-8 在 TWO-MIRROR 架構下，所得到的激發光以及訊號光的輸出波形，此圖為激發輸入 功率小於 10W 所取得的圖型。

Pump

Single

2.9 ns

1.9 ns

Pump

Single

3.2 ns

1.8 ns

PPLN

T(0C)

40 60 80 100 120 140 160 180

wavelength(nm)

1520 1530 1540 1550 1560 1570 1580

Nd:YVO4 Nd:Gd0.7Y0.3VO4 Nd:GdVO4

圖 5.3-9 控制加熱爐的溫度：30~180⁰C，分別使用三各不同增益介質：Nd:YVO₄、Nd:GdVO₄ 以及 Nd:Gd_0.7Y_0.3VO4，所的的訊號光波長與溫度的關係圖。

In c id e n t p u m p p o w e r (W )

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5

Average output power at 1573nm (W)

0 .0 0 .2 0 .4 0 .6 0 .8 1 .0 1 .2

N d :Y V O₄ P lo t 1 R e g r N d :G d Y V O₄ P lo t 2 R e g r N d :G d V O₄ P lo t 3 R e g r

圖 5.3-10 使用三種增益介質：Nd:YVO4、Nd:GdVO4以及 Nd:Gd0.7Y0.3VO4^{，所得到訊}

號光的輸出功率與入射光功率的關係圖。

Incident pump power (W)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22

Pul se energ y ( µJ)

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Nd:YVO₄ Plot 1 Regr Nd:GdYVO₄ Plot 2 Regr Nd:GdVO₄ Plot 3 Regr

圖 5.3-11 使用三種增益介質：Nd:YVO4、Nd:GdVO4以及 Nd:Gd0.7Y0.3VO4^{，所得到訊}

號光的脈衝能量與入射光功率的關係圖。

5.1 的參考資料

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D.C.Huanna, Optics Lett.,23,8,582,1998

8. L.E.Myers,G.D.Miller,R.C.Eckardt,M.M.Fejer,and R.L.Byer,W.R.Bosenberg, Optics Lett.,20,1,52,1995

第六章 結論與未來展望

在文檔中 腔內被動式Q開關之光學參數振盪器研究 (頁 80-95)