4.1 導論
影響腔內頻率轉換效率的優化條件，可大概區分為兩個部份，一是晶體的選 用，二是相位匹配的問題。在晶體選用的方面，又可以區分為增益介質和非線性 晶體的選用。而在相位匹配方面，又包含基頻光與倍頻光極化匹配的關係。本實 驗是在相同的晶體選用之下，我們藉由不同極化匹配的關係，來比較極化方向匹 配的優劣，以達到倍頻優化的目的。
本章主要是介紹在腔內固態雷射的架構之下，我們三倍頻雷射實驗之成果，
其中我們先測量出在腔內基頻光之偏振方向，之後利用其結果來針對非線性晶體 放置之角度的匹配，以期達到優化之目的。我們更在共振腔內引入A-O 晶體做 為Q-開關，帶來的高峰值功率對腔內倍頻光之輸出效率有著的影響。
4.2 532nm 腔內基頻光之偏振方向測量
以 1064nm 做為基頻光，經過非線性晶體做二倍頻諧波轉換，可獲得 532nm 的綠光雷射。以半導體雷射做為激發光源，A-O 晶體做為 Q 關的腔內倍頻雷射，
有體積小、效率高、重複率高等優點。因為Nd:YVO4[8]其受激輻射面積大，且 對808nm 波段有強吸收，所以我們選用這個在半導體激發全固態高重複率腔內 倍頻雷射的研究領域相當受青睞的增益介質，在腔內做為基頻光的來源。而在非 線性晶體的選擇上，我們選擇II 類相位匹配 KTP 晶體 A 做為倍頻之晶體，由於 它具有廣大的透光波段(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。在此綠光雷射的架構之下，我們改變 KTP 晶體 e-axis 放置角度，即改變 532nm 綠光雷射的偏振方向，如圖(4.1)所示，
量測出在不同KTP 晶體 e-axis 放置角度之下腔內基頻光偏振方向和 532nm 綠光 雷射的強度，進而利用此結果在腔內三倍頻做為非線性晶放置角度的參考，以達 腔內三倍頻優化之目的。
實驗架構
實驗架構如圖(4.2)。激發光源方面，我們採用半導體雷射輸出的 808nm 雷 射，經由光纖耦合至2:1 的聚焦耦合鏡組，聚焦至增益介質上；而增益介質的選 用，我們選擇a-cut 的 0.5% Nd:YVO4，晶體長度7mm，以銅座包覆且通水溫控 散熱。聚焦耦合鏡組輸出端面上鏡子鍍有對1064nm 和 532nm 高反射的鍍膜，做 為雷射共振腔的前鏡，曲率半徑為500mm，亦為一凹面鏡。而腔內 Q-開關的 A-O 晶體長度為30mm，材質為 Crystal Quartz，晶體兩端面皆對 1064nm 做抗反射的 鍍膜，中心頻率操作在27.12MHz，提供 15W 的 RF 訊號。在非線性晶體方面，
我們選用II 類相位匹配的 KTP 晶體(θ=900，Φ=23.50，e+o→e)，晶體長度為 10mm，同樣以銅座包覆且通水溫控散熱，晶體兩端鍍上 1064nm 及 532nm 抗反射 膜。輸出耦合鏡有鍍膜對 1064nm 為高反射和 532nm 為高穿透。此實驗架構的腔 長大約為 6cm。
如圖(4.1)所示。在實驗中，我們改變 KTP 的e-axis 放置的角度，意即改變輸 出綠光雷射偏振方向，分別在其它條件都相同的情況之下，在不同的偏振方向角 度，量測漏出腔外極弱的 1064nm 基頻光之偏振方向及 532nm 綠光輸出功率。
實驗結果與討論
實驗中，我們選用 a-cut 的 0.5%Nd:YVO4 為增益介質，故其輸出之 1064nm 基頻光為線偏振光，因此我們將 KTP 的 e-axis(532nm 綠光的偏振方向)和水平面 的法線夾角定為θ，以水平面的法線做為基準 0 度，如圖(4.1)所示。我們將增益 介質的偏振方向控制在 0 度的地方。而在增益介質之後的 II 類相位匹配 KTP 非 線性晶體，我們分別擺放不同的角度，改變 532nm 綠光輸出的偏振方向。從綠光 偏振方向 45 度到 0 度，做在低功率激發到高功率激發下，測量 1064nm 基頻光偏 振方向及綠光輸出功率的功率。測量結果分別如圖(4.3)~圖(4.6)所示。圖(4.3)為綠 光輸出功率和角度θ的關係，圖(4.4)~圖(4.6)為 1064nm 基頻光偏振方向角度和激 發功率的關係。
結果一:
從圖(4.3)可以看出，從 45 度到 0 度的 532nm 綠光偏振，其輸出功率的高低。
從 45 度到 0 度的 532nm 綠光偏振，其輸出功率的高低差異並不大；在輸入功率 為 12.5W 及重覆率為 45KHz 之下，最高 2.79W 的平均輸出功率，其輸出 532nm 綠光偏振角度為 40 度；最低也有 1.81W 的平均輸出功率，其輸出 532nm 綠光偏 振角度為 20 度。以整體而言，平均輸出功率大約在 2.24W 上下。轉換效率大約 為 22.3%~14.4%之間。此為未改變重覆率的情況之下的結果，若依照以往的經驗，
平均輸出功率會隨著重覆率增加而增加到一定的程度，而轉換效率會有所上升。
結果二:
從圖(4.4)~圖(4.6)可以看出，在各個不同的 KTP 角度之下，1064nm 基頻光偏 振方向角度θ和激發功率的關係。輸出的 1064nm 倍頻光的偏振方向已由原本選 定的 0 度，跳動到非 0 度的地方。當然跳動的曲線可能在每次的量測之下，而有 所不同，但其跳的振幅是可以遇見的。單看在不同高低的激發之下，其偏振方向 的角度也有程度不一的振盪。若以整體看下來，532nm 綠光的偏振角度θ，隨著 θ越來越小，我們量測到的 1064nm 偏振角度的振盪也越來越小。這個結果和我 們在上一章節所做的數值上的定性分析，有相當吻合的結果。
討論:
結果一的結果和一般我們所認知的有些許的差距，由式(2.3)中可以得知，在 二倍頻率轉換之中，頻率的轉換效率最好時，為基頻光的偏振在 o-ray 和 e-ray 的 電場都為最大時。而在我們的綠光雷射的架構之下，KTP 為 II 類相位匹配的非 線性晶體，而我們的基頻光為線偏振光，理論上基頻光的偏振和倍頻光的光軸在 夾角為 45 度時，即 o-ray 和 e-ray 有 1:1 的配比，倍頻光的輸出最強，而在基頻光 和倍頻光的偏振夾角為 0 度或 90 度時，輸出最弱。但由實驗結果可以看出，當 基頻光的偏振和倍頻光的夾角在 45 度到 0 度之間時，其實其差異並不大。夾角 為 45 度時，532nm 的綠光雷射輸出並沒有遠遠大於夾角為 0 度時的 532nm 綠光 雷射，且在 0 度時也有沒因為其中一方向電場幾乎為 0 時，而綠光雷射輸出極低。
結果二中，這是由於 KTP 為雙折射晶體，偏振光在經過它時，會有相位延 遲的現象，所以偏振會旋轉；意即當 1064nm 線偏振的基頻光，經過了 II 類相位 匹配的 KTP 非線性晶體時，因為其雙折射性，導致基頻光的偏振方向改變了。
故在線偏振的基頻光，在多次來回經過雙折射晶體之後，其偏振狀態不僅改變 了，而且會呈現有點橢圓偏振。而熱也會影響晶體的光學折射率和晶體的長度，
也會改變相位延遲的程度。在不同的激發功率之下，雖然晶體有銅座包覆且通水 溫控散熱，但熱的推積還是出現；所以晶體的光學折射率在不同的激發功率之 下，而有所不同，以致於相位延遲的現象也會呈現不同，故在圖上有時呈現跳動 的樣子；我們也曾在相同的激發功率之，改變銅座的散熱水溫，也證實了偏振方 向和晶體和熱是關聯的。而隨著KTP 晶體的放置角度和基頻光偏振越來越靠 近，意即基頻光的偏振和KTP 雙折射晶體的 e-axis 夾角越來越小，相位延遲的 影響越來越小，所以結果二中的 532nm 綠光的偏振角度θ的減小，連帶著 1064nm 偏振方向的振盪也隨之減小。而且我們觀察出，在高功率的激發時，其 1064nm 偏振方向也有往 0 度的方向靠近的趨勢。
綜合以上兩個結論，我們將延伸此綠光雷射的架構，利用 532nm 綠光和 1064nm 紅外光來做腔內三倍頻 355nm 紫外光雷射。利用結果一知道 532nm 綠光 雷射不會因為過小的θ，而轉換效率極低，仍然可以利用其強度來做 355nm 紫外 光雷射的頻率轉換。利用結果二知道，在較小的θ，1064nm 基頻光偏振方向的 穩定性較佳，偏振方向和 532nm 綠光雷射的夾角也較小，利於下個實驗中的 I 類相位配匹的 BBO 非線性晶體。
4.3 355nm 紫外光雷射之優化
高功率的二極體激發式腔內三倍頻 355nm 紫外光雷射在微鑽孔、軟板切割、
雷射回火、立體印刷、電路板加工及科學研究等方面都有著廣泛的應用。本小節 主要是在相同的增益介質及非線晶體之下，利用上小節所得到之結論，搭配適當 基頻光與倍頻光極化方向的角度，在腔內達到和頻，來獲得最有效率及穩定性最 佳的355nm 的紫外光雷射。
實驗架構
實驗架構如圖(4.7)。激發光源方面，我們採用半導體雷射輸出的 808nm 雷
射，經由光纖耦合至2:1 的聚焦耦合鏡組，聚焦至增益介質上，其中增益介質的 選用，我們選擇a-cut 的 0.5% Nd:YVO4，晶體長度7mm，並以銅座包覆且通水 溫控散熱。聚焦耦合鏡組輸出端面上鏡子鍍有對1064nm、532nm 和 355nm 高反 射的膜，做為雷射共振腔的前鏡，曲率半徑為500mm，亦為一凹面鏡。而腔內 Q-開關的 A-O 晶體長度為 30mm，材質為 Crystal Quartz，晶體兩端面皆 1064nm 做抗反射的鍍膜，中心頻率操作在27.12MHz，提供 15W 的 RF 訊號。在非線性 晶體的選用上，我們選用II 類相位匹配的 KTP 晶體(θ=900，Φ=23.50，e+o→e)，
及I 類相位匹配的 BBO 晶體。II 類相位匹配的 KTP 晶體，和先前 532nm 綠光雷 射實驗中所使用的是相同一顆晶體，晶體長度為10mm，同樣以銅座包覆且通水 溫控散熱。在KTP 晶體和 BBO 晶體之間，我們加入一片濾鏡，鏡面上鍍有對 355nm 高反射(R=93%)的膜，主要的目的是，為了防止經由 BBO 晶體三倍頻出 來的355nm 光，折回增益介質，造成增益介質的不良吸收，以及共振腔的損耗，
更而降低轉換效率。I 類相位匹配的 BBO 晶體(θ=31.30，Φ=00，o+o→e)，晶體 長度為 8mm，也是同樣以銅座包覆且通水溫控散熱。輸出耦合鏡上鍍有對 1064nm、532nm 波段有高反射(R>99%)的鍍膜，以及對 355nm 波段有高穿透(T>99%) 的鍍膜。此實驗架構的腔長大約為 8.5cm。其中KTP 晶體主要的作用是要對 1064nm 基頻光做二倍頻轉換成 532nm 綠光，而 BBO 晶體主要的作用是要對 1064nm 基頻光和二倍頻得到的 532nm 綠光，做兩個波段的和頻動作，即可獲得
更而降低轉換效率。I 類相位匹配的 BBO 晶體(θ=31.30，Φ=00，o+o→e)，晶體 長度為 8mm，也是同樣以銅座包覆且通水溫控散熱。輸出耦合鏡上鍍有對 1064nm、532nm 波段有高反射(R>99%)的鍍膜，以及對 355nm 波段有高穿透(T>99%) 的鍍膜。此實驗架構的腔長大約為 8.5cm。其中KTP 晶體主要的作用是要對 1064nm 基頻光做二倍頻轉換成 532nm 綠光，而 BBO 晶體主要的作用是要對 1064nm 基頻光和二倍頻得到的 532nm 綠光，做兩個波段的和頻動作，即可獲得