實驗架構與量測結果

將長度為15.7 mm，直徑為 920 µm 的 Cr:YAG 晶纖製成光學元 件後，以半導體雷射(laser diode)當激發光源，使其產生 ASE 光源，

並利用改變光學實驗架構，以期能產生最大的 ASE 功率和最佳的量 子轉換效率。

3.2.1 端面激發之自發輻射放大光源

實驗以端面激發的方式為架構，如圖3-2 所示。而為了能產生較 高功率的ASE 光源，以波長為 940 nm，最大輸出功率為 12 W 的光 纖耦合輸出半導體雷射(fiber-coupled laser diode)為激發光源，其儀器 規格如表3-3。然後以 10 倍物鏡將激發光源聚焦耦合入晶纖，晶纖產 生雙向的 ASE 光源後，先以焦距為 10 mm 的無色差聚焦透鏡 (achromatic lens)收集輸出光源，再以長波長濾片將未被吸收的激發光 源衰減濾掉，然後量測ASE 的功率。

表 3-3 940nm 光纖耦合輸出半導體雷射 輸出中心波長 940 nm

輸出功率 cw 0.10 W~12 W 光源頻寬 < 3.0 nm 光纖直徑 400 µm 光纖輸出發散角 40^o

光纖數值孔徑 0.37

940nm

Filter Detector Crystal fiber

1100 1300 1500 1700

Wavelength (nm)

Intensity (a.u.)

3.2.2 側面激發之自發輻射放大光源

為了提升ASE 功率，嘗試使用波長 980 nm，最大輸出功率 20 W 的一維陣列式半導體雷射(laser diode array)當激發光源，其規格如表 3-4。此光源具有更高的輸出功率，且波長更靠近 Cr⁴⁺:YAG 的吸收頻 譜峰值(1064 nm)，將可提升量子轉換效率。但是陣列式半導體光源 為一1 µm×10 mm 的線狀發光區，如圖 3-3，很難將此光源聚小和對 稱，因而若採用端面激發的光學實驗架構會有耦光效率(coupling efficiency)和光強度(intensity)過低的問題，因此改採用晶纖側面激發 的光學實驗架構。雖然側面入射的光強度比端面入射的光強度低，但 是光強度約為一固定長數，而不會隨著晶纖長度的吸收而變弱，同時 耦光效率的問題亦可獲得改善。

表3-4 980 nm 陣列式半導體雷射規格表 輸出中心波長 980 nm±5 nm 最大輸出功率 cw 20 W

光源頻寬 3.3 nm 單一發光區面積 1 µm×80 µm

發光區總數 46

發光區總長度 ~10 mm

Emission area Length=10 mm

圖3-3 一維陣列式半導體雷射

然而利用高功率半導體雷射當激發光源，容易使晶體產生很高的 溫度，而減少 Cr⁴⁺的螢光生命期，使得 ASE 輸出功率降低，因此必 須選擇適當的冷卻器降低晶纖的溫度。而我們選擇的冷卻器是以熱導 管(heat pipe)為工作原理的 VapoChill 溫控系統。此冷卻系統具有製作 容易、無需額外供應電力、點對點間溫差小和可大量散熱等特色，因 此散熱效率比 TE cooler(thermoelectric cooler)更好。

側面激發的方式必需先將晶纖的側面研磨拋光，其側面寬度約為 450 µm，然後以圖 3-4 的光學架構進行實驗。因半導體雷射光源的輸 出面積是一線型區域，而且橫向與縱向的發散角約為 10^o和 40^o，因 此用一焦距為50 mm 的柱狀鏡(cylindrical lens)將光源聚焦，激發晶纖 的側面，產生ASE 由晶纖兩端面輸出，以焦距為 10 mm 的無色差聚 焦透鏡收集輸出光源，再以長波長濾片將未被吸收的激發光源衰減濾 掉，然後量測 ASE 的功率。

Cylindrical lens

Crystal fiber

980nm LD array

Achromatic lens Filter

圖3-4 Cr:YAG 晶纖側面激發之光學架構

由 Cr:YAG 晶纖產生的 ASE 光源為雙向輸出，而本實驗並未在 晶纖的一端鍍高反射膜，因此將量到的單向 ASE 功率乘以兩倍以估

Detector

算其實際的輸出功率，結果約為 0.65 mW，而圖 3-5 為實驗量測的激 發光源功率與 ASE 光源功率的關係圖。比較降溫前與降溫後的 ASE 功率，發現約可提升 19.1%的 ASE 輸出功率。

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

0 4 8 12

Pumping power(W)

ASE power(mW)

Cooled

Room temperature

圖3-5 側面激發產生 ASE 光源的 L-I 關係圖