多段式晶體的實驗

把晶片週期經過設計、模擬分析，使用AutoCAD 畫出我們所需要的設 計圖，送去交大奈米中心製作成光罩(mask)之後，再請彭老師實驗室幫忙 製作晶體，再經研磨拋光之後終於可以開始做實驗。由於晶片很多種不同 大小週期的設計，所以我們把每片晶片都給予一個編號，次作為日後建檔，

標號方法如表格3-7。

表格 3-7 晶片編號方法 晶片編號 A-B-C-(d)

A 第幾片 mask

B A mask 的第 B 片晶體

C A mask 的第 B 片晶體的第 C 個 Channel d 第幾批次製作的晶體(duty-cycle 有微小的差異)

再來我們可以看到實驗架構圖，實驗有兩種架構方式，主要差異在於 雷射光強度與線寬的差別，光參振盪器所產生的光源(參考圖 3-15 實驗架 構圖)主要是給我們做測試用，因為光參振盪器很容易的可以改變入射的波 長、能量、脈衝重複頻率(repetition rate)，以找到適合的晶體(每段週期都 盡量接近準相位匹配條件)，接著使用另一台雷射(雷射參數請參考圖 3-16)，在高強度與窄線寬的條件下能量的輸出情形，實驗架構圖可以參考

體的溫度控制會由第五階諧波的最佳輸出來調整，在理論設計中，這塊晶 體溫度原被定於100 °C，而實驗上我們發現晶片 1-2-5(b)在波長 2409 nm 和晶片1-5-5 在入射波長 2410 nm 時，產生相位匹配溫度約在 120 °C，這 樣的情況是由於我們對於晶體的材料折射率、製程、光罩並沒有完全的確 切掌握。

Laser parameters：

Max. Input power = 50 mW, Repetition rate = 2 kHz Pulse width = 20 ns , Beam radius= 70μm

Max. Intensity= 16 MW/cm² Laser system (OPO)

λ

_p= 2406 nm

PPCLT Convex lens

f=100mm Convex lens

f=150mm Grazing-incidence

periodically poled LiNbO₃ optical parametric oscillator

PBP

λ₂₄₀₆ λ₁₂₀₃

λ₈₀₂λ₆₀₂λ₄₈₁

Laser parameters：

Max. Input power = 50 mW, Repetition rate = 2 kHz Pulse width = 20 ns , Beam radius= 70μm

Max. Intensity= 16 MW/cm² Laser system (OPO)

λ

_p= 2406 nm

PPCLT Convex lens

f=100mm Convex lens

f=150mm Grazing-incidence

periodically poled LiNbO₃ optical parametric oscillator

PBP

λ₂₄₀₆ λ₁₂₀₃

λ₈₀₂λ₆₀₂λ₄₈₁

圖 3-15 掠射光參振盪器實驗架構圖(R409)。

Laser parameters：

Max. Input power = 20 mW, Repetition rate = 30 Hz Pulse width = 3.5 ns , Beam radius= 170μm

Max. Intensity= 420 MW/cm²

2406 nm HR

@ 11^o

Crystal spec.

20 mm , 0.5 mm thick

Laser system

λ

_p

PBP PPCLT

Silver mirror

Convex lens f=250mm

Convex lens f=100mm

Convex lens f=150mm

λ₂₄₀₆ λ₁₂₀₃

λ₈₀₂λ₆₀₂λ₄₈₁

Laser parameters：

Max. Input power = 20 mW, Repetition rate = 30 Hz Pulse width = 3.5 ns , Beam radius= 170μm

Max. Intensity= 420 MW/cm²

2406 nm HR

@ 11^o

Crystal spec.

20 mm , 0.5 mm thick

Laser system

λ

_p

PBP PPCLT

Silver mirror

Convex lens f=250mm

Convex lens f=100mm

Convex lens f=150mm

34.09

7200μm 4000μm 3300μm 5500μm

22.33

Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:3

1-2-1

SFG 2nd order

@ 87~145 °C

7200μm 4000μm 3300μm 5500μm

7200μm 4000μm 3300μm 5500μm

22.33

Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:3 Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:3

1-2-1

SFG 2nd order

@ 87~145 °C

圖 3-17 多週期晶體 1-2(b)

圖 3-18 由實驗可以看出第五階諧波可接受泵浦光的頻寬

當我們找到第五階諧波的最加入射波長與溫度的關係，對於其它諧波

卻一無所知，我們必須針對第五階諧波固定泵浦光入射波長在2408 nm，

變換不同的溫度，同時測量第二階到第五階諧波的能量值，參考圖 3-19 的 實驗結果，我們發現除了第三階諧波的轉換效率比較不理想之外，其它諧 三道光都有不錯的轉換效率，所以我們必須針對第二段週期設計新的晶 體，同時圖 3-19 的實驗結果也告訴我們最佳轉換效率的溫度在 120 °C，

現在我們固定波長與溫度，變化泵浦光入射的能量大小，圖 3-20 在實驗中 所測量到的平均能量，包含第二階到第五階諧波，在輸入功率為最大時，

相對應的輸入功率數值250 MW/cm² 轉換到高次諧波的效率約為 30%，轉 換到第二個諧波的效率約25%，剩下 5%為其他的諧波。

圖 3-20 在實驗中所測量到的平均能量，包含第二階諧波到第五階諧波

由之前所介紹的實驗結果，我們必須改善第二段週期的轉換效率(第三 階諧波)，所以我們需要改變第二段週期大小，讓每段的準相位匹配溫度更 接近，那轉換效率就會更好，我們選擇晶片1-5-5 圖 3-21，同樣我們使用 掠射光參振盪器調整入射光的波長，測量第五階諧波的平均能量與入射波 長的關係(圖 3-22)，找到第五階諧波輸出最佳的條件，由實驗結果可看到 當入射光波長為2410.5 nm 時，第五階諧波轉換效率最高(圖 3-18)，相位 匹配溫度與入射波長的關係，可發現入射波長越長，相位匹配溫度越高，

最後實驗上得到可接受入射光波長的半高寬範圍大小約7.3 nm(2406.9 nm

~ 2414.2 nm)。

34.09

7200μm 4000μm 3300μm 5500μm

22.44

Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:3

1-5-1

SFG 2nd order

@ 87~145 °C

7200μm 4000μm 3300μm 5500μm

7200μm 4000μm 3300μm 5500μm

22.44

Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:3 Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:1 Duty 1:3

1-5-1

SFG 2nd order

@ 87~145 °C

圖 3-21 多週期晶體 1-5

圖 3-23 各階諧波隨溫度變化的情形

當找到第五階諧波最佳的入射波長，現在我們要找最佳溫度，所以我 們使用掠射光參振盪器測量各階能量與溫度的關係(圖 3-23 各階諧波隨溫 度變化的情形)，我們可以發現在晶片 1-5-5 的輸出之下，溫度達到 123 °C 與 126 °C 時，接近理想的實驗結果之各階能量分布均勻(圖 3-24 在溫度 123 °C 與 126 °C 各階諧波的分布情形)。此外，在實驗當中，可以觀察到 第六階諧波(401.7 nm)的光，由於當初設計晶體並沒有針對第六階設計對應 的週期，所以第六階的光應該是由隨機相位匹配機制(參考 2-5 節)所產生的 光。

圖 3-24 晶片 1-5-5 在溫度 123 °C 與 126 °C 各階諧波的分布情形

圖 3-25 為諧波被菱鏡散射後的圖示實驗結果(R411)，在這四個可被 記錄的諧波裡面，第六道光(401 nm)和第七道光(344 nm)也可在實驗裡被 觀察到，但是這兩道光的強度非常微弱，因為它們可能是透過隨機相位匹 配所得到的光源。

產生的諧波頻率會符合(3.7)的條件，透過插置相位補償器(phase compensator)，即可將相位調整到所要求的條件下，因此我們可以透過這

,

0

q ceo

q

m q

q

m

ω = ω + ω φ = φ + φ

_(3.7)

ω

q_:為頻率

φ

q _:為相位:

ω

m : is the Carrier-Offset Frequency, COF

ω

m: is the comb frequency spacing

φ

0: is a static offset

φ

m: is a linear phase difference between adjacent comb components

我們所提供的串接式相位匹配，產生諧波和絕熱式拉曼產生過程，是 兩種能夠在合成波形中完全控制載波相位的技術，透過拉曼產生技術，大 量的諧波(a large number of harmonics more than 10)能夠經由拉曼被有效 率的產生，也因此最適合用在成為合成波型時產生最短的間距。我們所提 供的相位匹配技術提供了一個互補的優點，過程並不需要被拉曼躍遷所限 制，所以輸入的光波頻率選擇相當有彈性，也加大其能應用的範圍，像是 提供了量子控制所需的光源。相位匹配產生諧波的方式，提供了一個簡單 的架構來合成超短脈衝以及任意波形，使後續可能的發展更為容易。

2^nd 3^rd 4^th 5^th 6^th 7^th

2^nd 3^rd 4^th 5^th 6^th 7^th

圖 3-25 諧波被菱鏡散射後的實驗結果

在文檔中 利用週期性極化反轉結構之光參數過程 產生可調可見光與寬頻光源 (頁 51-62)