實驗架構與雷射晶體的選擇

本實驗的實驗架構大略如圖 3.1 所示，此為短腔被動式Q-開關共振腔設計，

圖中吸收體與一般探討半導體飽和吸收體研究中，最大的不同在於我們的半導體 飽和吸收體上沒有布拉格反射鏡（DBR）的設計，我們設計磊晶的材料為穿透率 高、兩面皆鍍 1.3μm抗反射膜（@1342nm AR coating），因此需要在雷射共振腔 內加入輸出耦合鏡（耦合鏡@1342nm鍍有部份反射鍍膜），才能使光粒子於腔內共 振累積能量。對於增益介質的選擇，我們選擇Nd 摻雜濃度僅有 0.5％的低濃度 Nd:YVO⁴，而晶體長度較長為 7mm。雖然在眾多Nd 離子摻雜的增益介質中，Nd:YAG 和Nd:YVO⁴因為都具有良好的光學、物理及熱的特性，而廣泛的被應用於各種雷 射系統中，但是兩者於不同的主材料中（host），即使具有同樣的活性離子，所 承受的晶格場（crystal field）也會不同，因此兩者的雷射特性也稍有差異。

表3.1為Nd:YAG和Nd:YVO⁴物理特性與光學特性之列表[6][7][8]，表中顯示 出Nd:YAG為立方晶格（cubic），傳統上Nd 摻雜濃度約在0.9~1.1％；兩者在光學 性質的比較中，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。

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表 3-1 Nd:YAG和Nd:YVO⁴物理特性與光學特性[6][7][8]

晶體 Nd:YAG（Nd³⁺:Y³Al⁵O¹²） Nd:YVO⁴（Nd³⁺:YVO⁴）

英文名稱

Neodymium Doped Yttrium Aluminum Garnet

Neodymium Doped Yttrium Orthovanadate

中文名稱 掺銣釔鋁石榴石 掺銣釩酸釔

晶體結構 cubic

Α o a=7.12Α ，c=6.29^o Α ^o

熱光係數 7.3×10^-6/K

8.2×10^-6/K for n^a 0^{- c} 3.9×1 ⁶/K for n

cm @1064nm .5×10^-18cm²@1064nm 2.5×10^-19cm²@914nm 4 cm^-1（π），10.5 cm^-1（σ

@808nm,1.1％doping 807.5 nm 808 nm

吸收頻寬 1nm @ 807.5 nm 15nm（π），8nm（σ）@ 808 nm

其他

Zircon（tetragonal）

晶格常數 12.01

摻雜濃度 0.9~1.1％ 0.1~3％

雷射中心波長 946nm,1064nm,1320nm 914nm,1064nm,1342nm

有效輻射截面

2.8×10^{-19 2}

4~6.4×10^-20cm²@946nm

2

吸收係數 10cm^-1@807.5nm,1％doping

31. ）

幫浦中心波長

自發輻射生命期 230μs 90μs

增益頻寬 0.6nm 0.96nm

非極化輻射 熱雙折射性

平行光軸之極化輻射 具雙折射性

由雷射中心波長顯示N 42nm的雷射波長， 作為本 驗的增益介質。Nd:YVO⁴為四方晶系（tetragonal），一般的Nd³⁺摻雜濃度約在 1~3％，雖然目前已有摻雜濃度高達3％的產品出現，但是針對本實驗而言並非

d:YVO⁴具有13 因此比較適合 實

0.

摻雜濃度越高，雷射較果就會越好。一般而言「吸收深度」可定義為幫浦光源經 過增益介質吸收而衰減至原強度

e

1倍時的強度。如圖3.2 所示，當Nd³⁺摻雜濃度

越高時吸收率越高，吸收深度越短，如此一來大部分的幫浦光子在增益介質很淺 的地方就會被大量地吸收，造成後半段的重複吸收損耗（loss）會大於增益

（gain），出現雷射輸出功率降低的問題，因此如何選擇一個適當的雷射晶體亦 為重要的一項課題。本實驗中嘗試選擇使用Nd 摻雜濃度為0.25％、0.5％與2％

的增益介質，研究發現以Nd 摻雜濃度為0.5％所得到的輸出功率效果最佳，因此 本論文的各項實驗研究中皆以此濃度晶體作為1.3μm被動式Q開關雷射共振腔之 增益介質。

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第三章 圖示

介質中，增益與重複吸收損耗示意圖 圖 3.1 平凹腔雷射架構示意圖

M2:

Output coupler Flat mirror M1: R=50cm

HR@1342nm

0.5% Nd:YVO₄ AR/AR @1342nm

3x3x7 mm³ a-cut

Powermeter Beam split

Absorber AR.AR@1342nm

LD

Oscilloscope

代表增益 重複吸收損耗 激發光源

增益介質

圖 3.2 增益