4.1 導論
Nd：YVO4晶體由於其受激輻射截面積大(為 Nd:YAG 的五倍)，以及在 808nm 波段 有強吸收，使得其在固態雷射的增益介質選用中，十分受到歡迎。由圖 4.1，在 808nm 的激發光源下，其螢光光譜在 914nm、1064nm 以及 1342nm 這三個波段有較高的強度；
其中 1064nm 以及 1342nm 這兩個波長，佔去了絕大部分的增益。不論是在學術研究中、
論文發表、或是市面上產品的研發，這兩個屬於近紅外光波長的雷射，一直受到廣泛 的研究、討論以及應用。
本章除了介紹 1064nm 以及 1342nm 雷射的實驗成果外，更進一步的探討以其作為 基頻光，經過非線性晶體做頻率轉換(SHG、SFG)後可得不同波長雷射輸出。其中更著 重討論在共振腔內引進 AO 晶體做為 Q-開關後，帶來的高峰值功率對頻率轉換效應的 提升效果。
4.2 1064nm 近紅外光雷射
在 1064nm 的雷射輸出效率研究中，為了得到最高的效率輸出，無論是共振腔設 計(腔長、結構)或者是增益晶體的種類、參數(長度、Nd 離子摻雜的濃度[6]…等)，
都是提升輸出功率的重要因素。
實驗架構
我們採用單端激發式的直線腔架構(如圖 4.2)。激發光源為 20W 的半導體雷射，
輸出波長為 808nm，以光纖耦合至 1:1 的輸出耦合鏡組，聚焦至 a-cut 的 Nd：YVO4 上，其激發光點大小為 0.3mm。晶體中 Nd 離子的摻雜濃度為 0.25%，晶體長度為 9mm，
以銅座包覆且通水溫控於 20oC。做為 Q-開關的 A-O 晶體長度為 20mm，材質為 TeO2，
晶體兩端面皆對 1064nm 以及 1342nm 做抗反射的鍍膜，中心頻率操作在 41MHz，提供 3W 的 rf 訊號。輸入耦合鏡 M1 是個焦距為 1 米的凹面鏡，凹面上針對 1064nm 以及 1 342nm 兩波長鍍高反射膜(R>99.8%)，且對激發光源(808nm)波長為高穿透(T>90%)。
在輸出耦合鏡方面，選用鏡面鍍膜為對 1064nm 部分反射(PR85%)的平面鏡。上述的設 計，是為了要使激發光源能最有效率的進入共振腔、聚焦於增益晶體上，並針對所要 波長設計最適當的共振腔。此實驗架構腔長約為 5 公分。
實驗結果與討論
就圖 4.2 的架構中，未加入 A-O 晶體做為 Q-開關時，我們可得到 1064nm 的 連續波(CW)雷射輸出。如圖 4.3，在 15.2W 的激發功率下，1064nm 波段輸出功率為 7.7W，光轉光效率為 50.6%，光束品質 M2約為 1.1。
當在腔內加入 A-O 晶體做為 Q-開關時，我們可得到脈衝式輸出。在 Q-開關動作 重複率為 30kHz 時，激發功率與輸出功率關係如圖 4.2 所示。當激發功率為 15.2W 時，1064nm 的平均輸出功率為 4.9W，脈衝寬度為 14ns，峰值功率約為 11.6kW。一定 激發功率下，隨著 Q 開關的重複率增加，脈衝寬度增寬，平均輸出功率上升，但瞬間 峰值功率下降。
4.3 532nm 綠光雷射
以 1064nm 做為基頻光，經過非線性晶體做二倍頻諧波轉換，即可得到可見光波 段的 532nm 綠光雷射。以二極體雷射為激發光源、A-O 晶體做為 Q-開關的腔內倍頻固 態雷射具有效率高、體積小、重複率高等特點。在雷射測距、雷達、水下通訊、光學 儲存以及醫療等方面皆有廣泛的應用。因為 Nd：YVO4晶體的熱傳性質較差，在高重 複率高功率的固態雷射中，一般採用 Nd：YAG 晶體。利用 Nd：YVO4晶體為增益介質 的半導體激發全固態高重複率腔內倍頻雷射的研究，已可獲得平均為 4.5W 的綠光輸
出[7]。KTP 由於它廣大的透光波段(350nm~4000nm)、寬的光學允許角、大範圍的容忍 溫度、良好的熱傳性質以及高破壞閥值等特性，已然成為二倍頻諧波轉換中最受歡迎 的晶體，也是 Nd-dopped 固態雷射的最佳拍檔。
實驗架構(一)
實驗架構如圖 4.4，同樣採用二極體雷射為激發光源，其輸出的 808nm 雷射經由 光纖耦合至 2:1 的耦合鏡組，聚焦至 a-cut 的 Nd：YVO4晶體上。Nd：YVO4晶體的 Nd 離子的摻雜濃度為 0.25%，使用低濃度的 Nd：YVO4晶體是為了避免因熱堆積而造成晶 體的損壞[6]。晶體長度為 9mm，以銅座包覆且通水溫控。耦合鏡組的輸出面，針對 10 64nm 鍍上高反射膜，做為共振腔的前鏡，其亦為一凹面鏡，曲率半徑為 500mm。輸出 耦合鏡上的鍍膜對 1064nm 波段為高反射，且對 532nm 為高穿透。做為 Q-開關的 A-O 晶體長度為 20mm，材質為 TeO2，晶體兩端面皆對 1064nm 以及 1342nm 做抗反射的鍍 膜，中心頻率操作在 41MHz，提供 3W 的 rf 訊號。在非線性晶體的選用，我們挑選了 幾根不同長度以及鍍膜的 II 類相位匹配 KTP 晶體(θ=90o，φ=23.5o)來做比較。長度 及鍍膜資料如圖 4.4 中所附。KTP 晶體同樣也以銅座包覆且通水溫控。KTP 晶體上 S1
面鍍了對 1064nm 為高反射的膜後，則在實驗架構上不需要輸出耦合鏡。其中特別的 是，有的 KTP 晶體在 S2面針對 532nm 做高反射鍍膜。這些非線性晶體由於長度與鍍 膜而導致的輸出功率優劣與否，將在本節中討論。依晶體長度不同，此實驗架構腔長 約為 4.5 公分至 5.5 公分。
實驗結果與討論(一)
圖 4.5 為激發功率與 532nmCW 雷射輸出功率關係圖。可看出兩面皆鍍高反射膜的 兩根 KTP，其轉換效率高於另外兩根 KTP。其中，長度為 20mm 的 KTP 其輸出功率也高 於 10mm 的。在 12.8W 的激發功率下，經由 KTP 晶體做二倍頻轉換，可得 2.2W 的 532nm
雷射輸出，轉換效率約為 17.2%。在實驗過程以及實驗結果中，觀察到 S2上鍍膜與否，
有兩點影響。第一，S2上鍍 532nm 高反射膜可防止 532nm 返回腔內造成增益介質對它 的吸收，避免對輸出功率有不良的影響；在共振腔調整最佳化的過程中，也可感覺到 雷射輸出的穩定度。第二，S2上鍍 532nm 高反射膜後，由於 532nm 的光不會返回腔內 干擾 Nd：YVO4偏振方向，因此可得到良好的線性偏振 (大於 100:1)的 532nm 綠光；
沒有針對 532nm 鍍膜的晶體，其綠光的線偏振化約莫只有 10:1。而在 S1上鍍上 1064nm 的高反射膜(HR/AR 10mm)的 KTP 晶體，在輸出功率的表現上也優於同樣長度，但兩端 面只針對 1064nm 鍍抗反射膜(AR/AR 10mm)之 KTP 晶體。或許是直接在端面鍍膜可增 加結構的緊湊性，減少元件造成的損耗，以致於在功率上可以有些許的提升。
較長的晶體長度可增加相互作用的距離，提升轉換效率；但在非線性晶體中存在 的走離效應也會隨著晶體長度的增長，降低轉換效率。而直接在端面上鍍膜雖可提升 輸出功率與穩定度，但是也附帶著比較昂貴的價格以及鍍膜在高功率輸出下的受損風 險。這些晶體參數取捨上的問題，無法論定孰優孰劣，端看應用以及實際狀況而定。
當在腔內擺入 A-O 晶體做為 Q-開關，可得脈衝式的綠光雷射輸出。其不同晶體 與其輸出功率的關係，如圖 4.6 所示。為了避免在高功率輸出下，KTP 端面上的鍍膜 受到損傷，預期會有良好效率的 HR/HR 20mm 的 KTP 晶體在這個實驗裡將不被使用。
實驗結果顯示，HR/HR 10mm 的 KTP 晶體有最好的轉換效率，約為 24.7%。可以明顯看 出其二倍頻轉換效率較 CW 模式輸出時為佳。這是由於 1064nm 基頻光的高峰值功率在 非線性晶體中提高了二倍頻轉換效率。在 CW 輸出模式，激發功率為 8.84W 以上時，H R/AR 10mm 的 KTP 晶體轉換效率優於 AR/AR 10mm 的 KTP 晶體；但是在脈衝輸出模式 下，兩者的輸出效率卻差不多。推論可能是因為在高功率輸出時，端面上針對 1064n m 高反射的鍍膜受到損傷，以致於原本的優勢不再。但是同樣有鍍膜的 HR/HR 10mmK TP 晶體就沒有此現象。因此，鍍膜品質的好壞也是十分重要的。在高功率激發下，
直接於端面上鍍膜的晶體在使用上需特別的留意。
其中效率最好的 HR/HR 10mmKTP 在激發功率為 15.2W，Q-開關動作重複率為 45kHz 時，可得到 3.75W 的 532nm 的平均輸出功率，脈衝寬度為 38.4ns，峰值功率為 2.17kW。
由圖 4.7，激發功率固定為 13.7W 時，隨著 Q 開關的重複率增加，脈衝寬度增寬，平 均輸出功率上升且有逐漸飽和的現象，且峰值功率逐漸下降。
實驗架構(二)
在本小節中，將討論 KTP 晶體擺放的角度與輸出功率改善的關係。與實驗架構(一) 同樣的設計，只是將習慣擺放成與增益介質 Nd：YVO4夾 45 度角的 type II KTP 晶體 轉些許的角度，來做倍頻轉換。轉角度的示意圖如圖 4.8 所示。此實驗使用的 KTP 晶體為圖 4.4 中的第四根 KTP(3x3x10mm，S1:AR@532nm，S2:AR@1064nm)。
實驗結果與討論(二)
由圖 4.8 所示的方向旋轉 KTP 晶體，一邊檢驗其 532nm 雷射輸出的偏振方向。還 未旋轉時，輸出的偏振方向為與基頻光 1064nm 夾 45 度角。定義旋轉 KTP 晶體後的綠 光偏振方向與 1064nm 夾的角度為θ ，圖 4.9 為夾不同θ 角時，激發功率與 532nm 輸 出功率的關係圖。我們可看出，隨著旋轉角度的加大，532nm 光與 1064nm 光的夾角 逐漸縮小，而輸出功率有增加的趨勢，以兩光偏振方向夾 35 度時(此時 KTP 晶體旋轉 角度為 10 度)，輸出功率為最好。這是由於原本認為是線偏振的 1064nm 光，在來回 經過雙折射晶體後，其偏振狀態變為有點橢圓偏極，使得最佳的晶體擺放角度(會有 最佳的相位匹配關係)，並非為原本的 45 度狀態。旋轉 KTP 晶體角度後可以得到最佳 的輸出功率。這其間 532nm 的偏振方向，也需時時以檢偏鏡檢驗確認之。
4.4 355nm 紫外光雷射
高平均功率的脈衝式 355nm 全固態雷射在微電子、雷射加工以及科學研究等方面
有著廣泛的應用，例如在電路板加工以及立體印刷方面。本小節將介紹固態雷射中，
如何利用 1064nm 做為基頻光，經過非線性晶體與 532nm 達到腔內和頻，得到三倍頻 的 355nm 的紫外光雷射輸出。
實驗架構(一)
實驗架構如圖 4.10 所示，同樣採用二極體雷射為激發光源，其輸出的 808nm 雷 射經由光纖耦合至 2:1 的耦合鏡組，聚焦至 a-cut 的 Nd：YVO4晶體上。Nd：YVO4晶體 的 Nd 離子的摻雜濃度為 0.25%，晶體長度為 9mm，以銅座包覆且通水溫控。耦合鏡組 的輸出面，針對 1064nm、532nm 以及 355nm 鍍上高反射膜，做為共振腔的前鏡，其亦 為一凹面鏡，曲率半徑為 500mm。輸出耦合鏡上的鍍膜對 1064nm、532nm 波段為高反 射(R>99%)，且對 355nm 波段為高穿透(T>90%)。做為 Q-開關的 A-O 晶體長度為 20mm，
材質為 TeO2，晶體兩端面皆對 1064nm 以及 1342nm 做抗反射的鍍膜，中心頻率操作在 41MHz，提供 3W 的 rf 訊號。在腔內放置的非線性晶體選用方面，緊接著在 AO 後面的 是 type II 的 KTP 晶體，與前面 532nm 綠光雷射實驗中，拿來轉角度的是同一顆，
材質為 TeO2，晶體兩端面皆對 1064nm 以及 1342nm 做抗反射的鍍膜，中心頻率操作在 41MHz，提供 3W 的 rf 訊號。在腔內放置的非線性晶體選用方面，緊接著在 AO 後面的 是 type II 的 KTP 晶體，與前面 532nm 綠光雷射實驗中，拿來轉角度的是同一顆，