第五章 鎖模雷射的介紹與實驗
5.2 實驗架構
實驗架構如圖 5-1 所示，被動式半導體鎖模雷射共振腔包含了增益介 質 、 一 個 聚 焦 鏡 、 和 一 個 結 合 了 輸 出 耦 合 鏡 的 半 導 體 飽 和 吸 收 體 (SESAMOC)。增益介質使用 Nd:GdVO4的雷射晶體，對於二極體雷射的激 發光束，具有較高吸收效率，較大的激發放射區域，還有較高的熱傳導率 沿著<110>的方向。我們在實驗中準備了兩種型式的增益介質進行研究，一 個是傳統的晶體，摻雜濃度為 0.5 % at Nd:GdVO4，尺寸為3 x 3 x 8 mm3如 圖 5-2 所示；另一個為 3 x 3 x 10 mm3 GdVO4/Nd:GdVO4 的鍵合晶體，由 前端長度2 mm 非摻雜 GdVO4的晶體與一個摻雜濃度0.5 at % Nd:GdVO4
的晶體擴散結合而成的鍵合晶體如圖 5-3 所示。兩種型式的雷射晶體，在 晶體激發端面分別鍍上一層808nm 的高穿透膜與一層 1064nm 的高反射膜；
另一端面則分別鍍上 1064nm 阻抗反射膜，並將此端面切成 0.5°楔形角的 設計，抑制法布里-珀羅效應(Fabry-Perot etalon effect)。雷射晶體使用薄金 箔的銦片包覆，增加熱傳導的效率，將包覆銦片的晶體固定於銅製散熱座 內，將銅座通水冷卻，工作溫度設定 20℃。激發光源使用 10W 808nm 光 纖耦合式的雷射二極體，中心半徑100μm、數值孔徑 0.16 的光纖傳輸。在 雷射晶體的前端放置一個聚焦長度為 25mm 的耦合鏡，使激發光束能一致 性的耦合放大到晶體端面，可達到 85%的傳輸效率。另一個補償聚焦鏡聚 焦長度為125mm，鏡片雙面鍍上 1064nm 的阻抗反射膜。
在波長 1064nm 被動式鎖模雷射的架構中，我們利用金屬有機化學汽 相乘積法，在非摻雜的砷化鎵(GaAs)結構上單獨生長成一個 SESAM 的結 構。目前 SESAM 裝置已經被設計成將飽和吸收體與輸出鏡的結合，結合 成 SESAMOC 的裝置。SESAMOC 半導體飽和吸收體是由兩個 8 nm In0.34
GA0.66 AS 的量子井(QWs)組合而成，其飽和能量密度為 80μJ/cm2，其調節 深度為1.5%；布拉格鏡結構包含 10 個 AlAs/GaAs 的階層，設計成在 1064nm 有 96.3%的反射率，且在背後 35μm GaAs 的基質結構鍍上 1064nm 的阻抗 反射膜，將 SESAMOC 固定在無任何主動式冷卻的銅座上。補償聚焦鏡放
置共振腔內增益介質與SESAMOC 之間，與增益介質的激發端面相對距離 L1=500 mm，與 SESAMOC 輸出端面的相對距離 L2=166 mm，共振腔長為 666 mm，對應到重覆率 225 MHz 鎖模輸出的操作，在晶體端與 SESAMOC 上的模態半徑大小，分別是160 μm 和 50 μm。我們使用一台高速的光檢測 器，檢測鎖膜雷射連續輸出的脈衝波，將其連續輸出的訊號傳至數位示波 器(Agilent,DSO 80000)，電子帶寬調在 12 GHz，取樣率為 25 ps。在頻譜資 訊的監控，利用解析度0.003 nm 的光譜儀(Advantest,Q8347)監看其狀態。
圖 5-1 被動式半導體鎖模雷射實驗架構圖
Autocorrelation intensity (a.u.)
Time delay (ps)
1063.01063.1 1063.21063.3
0.0
Spectral intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
Laser diode
Coupling lens Laser crystal
Convex lens
SESAMOC High speed
photo-detector Digital oscilloscope Optical spectrum
analyzer Autocorrelator
L1 L2
3x3x8 0.5-at. % Nd:GdVO4
3x3x2 undoped GdVO4
3x3x8 0.5-at. % Nd:GdVO4