第三章已對此雷射光束品質量測系統的軟體介面做了詳細說明，接下來我們 使用這套系統進行 He-Ne 氣體雷射、Nd:YVO4固態雷射、半導體雷射與光纖耦 合半導體進行量測，並對實驗結果與影像逐一做探討。最後針對端面激發固態雷 射產生的高斯多模組態與光束品質因子之間的關係做驗證。
4-1 He-Ne 氣體雷射
量測氣體雷射光束品質的雷射光源是選用波長 632nm 的 He-Ne 雷射。由於 He-Ne 氣體雷射的聚焦光斑太小，焦點後光斑變化幅度不大且受限於 CCD 相機 畫素解析度使得 He-Ne 氣體雷射光束品質測量變得困難。為了改善此問題，我 們首先將 He-Ne 雷射進行光束放大處理。光束放大處理主要有兩種方式，一種 是直接使用凹透鏡對雷射光束進行放大。而另一種方式則是利用短焦聚焦鏡強聚 焦後會迅速發散的特性達到放大效果。而我們實驗採用了後者這種方式。
藉由平凸透鏡(3cm)使 He-Ne 雷射產生放大後接著使用平凸透鏡(12.5cm)使 其聚焦後開始量測，我們掃描光束半徑並判斷雷射光斑大小，當偵測到焦點後即 移動到焦點後 4cm 與 4.5cm 紀錄此兩點的 X 軸與 Y 軸半徑長，經由這些資料計 算出雷射的光束質量因子M2
x與M2
y，如下表 4.1.1 與表 4.1.2 為我們測量 5 次的數 據，經由這些測試資料與氣體雷射光束品質理論值 1 去做比較，可以發現實驗值 與理論值非常接近。而圖 4.1.1 是此實驗的光學構造圖，圖 4.1.2 是 He-Ne 雷射 的光斑圖，圖 4.1.3 是 He-Ne 雷射的 X 軸與 Y 軸光斑變化軌跡圖。
38
(μm) 777.6309 784.3144 781.7048 783.4525 784.6467 聚焦點光腰半徑
(μm) 27.7705 28.9458 27.9761 27.5386 29.5835 聚焦後 X 軸
Diverge Angle (度)
(μm) 797.2164 800.8624 801.6988 799.7434 800.0563 聚焦點光腰半徑
(μm) 29.0779 28.0214 28.3236 29.5258 27.4073 聚焦後 Y 軸
Diverge Angle (度)
0.6095 0.5944 0.6201 0.5945 0.6047
M2
y 1.5353 1.4427 1.5214 1.5206 1.4357
39
圖 4.1.1 He-Ne 氣體雷射光學設備構造圖
圖 4.1.2 He-Ne 雷射光束光斑圖
CCD Camera Coupling lens
f1=3cm f2=12.5cm He-Ne Laser @632nm
Camera
40
圖 4.1.3 He-Ne 雷射光束半徑變化軌跡圖
20 30 40 50 60
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
光 斑 長 度 (μ m)
CCD移動距離(mm)
He-Ne氣 體 雷射光束半徑變化圖
X軸
Y軸
41
4-2 Nd:YVO4固態雷射
量測固態雷射的光束品質實驗中，我們使用波長 914nm 的 Nd:YVO4固態雷 射來做此次實驗的雷射光源。由於固態雷射的功率較一般雷射來的大，為了避免 雷射光源破壞 CCD 照相機感光晶片，因此我們使用了衰減係數較多的衰減片。
而焦點與焦點外兩點的光斑大小足以讓 CCD 攝影機拍攝並由軟體計算出雷射光 束品質。但是為了量測方便因此我們仍然對 Nd:YVO4固態雷射作放大的動作。
我們使用了平凸透鏡(3cm) 使 Nd:YVO4固態雷射產生放大效果後使用平凸透鏡 (7.5cm)使其聚焦後開始對雷射光束進行掃描，表 4.2.1 與表 4.2.2 分別為 Nd:YVO4
固態雷射的光束品質因子M2
x與M2
y，並附上 X、Y 軸光斑軌跡圖與固態雷射的光 斑圖。
由於固態雷射是最易產生高斯多模態的雷射，可以輕易的調整共振腔兩側的 反射鏡聚焦位置使其產生多模態雷射光束，而光束模態又直接影響光束品質因子 的變化，我們會在第四節中對固態雷射的高斯多模態做更詳細的實驗與解說。
在這次實驗中 Nd:YVO4固態雷射的模態是屬於 TEM00，藉由 Nd:YVO4固態雷射 在模態為 TEM00的光束品質因子實驗量測結果與 He-Ne 氣體雷射比較後可知，
這兩種雷射的光束品質是不分軒轅的[22, 23]。
42
(μm) 422.9994 424.6646 418.4245 420.3882 418.7785 聚焦點光腰半徑
(μm) 55.1785 54.0682 54.6119 54.2040 54.8063 聚焦後 X 軸
Diverge Angle (度)
0.420719 0.392645 0.41847 0.419167 0.41279
M2
x 1.392656 1.27357 1.370988 1.363011 1.357194
表 4.2.2 固態雷射M2
y與發散角測試結果
1 2 3 4 5
焦距後 4cm
(μm) 413.9592 416.4745 409.4104 411.0391 410.3603 焦距後 4.5cm
(μm) 447.1881 449.6162 444.2029 446.0219 445.4869 聚焦點光腰半徑
(μm) 54.8243 57.6897 57.4178 57.8867 58.3104 聚焦後 Y 軸
Diverge Angle (度)
0.38077 0.37977 0.398686 0.400867 0.402514
M2
y 1.252325 1.314319 1.373278 1.39207 1.40802
43
圖 4.2.1 固態雷射光學設備簡易構造圖
圖 4.2.2 固態雷射光束光斑圖 Coupling lens f1=3cm f2=7.5cm Solid State Laser@914nm
CCD Camera
Camera
44
圖 4.2.3 固態雷射光束半徑變化軌跡圖
50 55 60 65 70
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 光
斑 長 度 (μ
m)
CCD移動距離(mm) 固態雷射光束半徑變化圖
X軸
Y軸
45
46
Diverge Angle (度)
Diverge Angle (度)
0.6903 0.6865 0.6843 0.6895 0.6823
M2
y 1.0458 1.0246 1.0333 1.0393 1.0386
47
圖 4.3.1 半導體雷射設備量測構造圖 Coupling lens f1=8.9mm f2=3cm Semiconductor Laser@808nm
CCD Camera
Camera
48
49
圖 4.3.3 半導體雷射光束 X 軸光斑圖
圖 4.3.4 半導體雷射光束 Y 軸光斑圖
50
4-4 光纖耦合半導體雷射
光纖耦合半導體雷射顧名思義即是將半導體雷射光導入至光纖中，藉由光纖
管傳送出雷射光。在固態雷射中，光纖耦合半導體雷射常用來當作激發光源來使 用。由於光束品質差使雷射由光纖輸出後會快速發散，因此會透過一組兩片的平 凸透鏡圖來達到聚焦的效果。在我們的實驗中直接利用一個 1 比 1 焦距 5cm 的 透鏡組來量測雷射光束品質，如圖 4.4.1 所示。表 4.4.1 與 4.4.2.為光纖耦合半導 體雷射的光束品質M2
x、M2 y。
由表 4.4.1 與表 4.4.2 中得知光纖耦合半導體的M2
x約為 20，而M2
y約為 25，
而上一節中的半導體雷射的光束品質M2
x約為 10，M2
y約為 1，主要是因為半導 體雷射的光束品質比起其他類雷射來說是相對的差，再經由光纖管的傳輸後，半 導體的雷射光斑被破壞，使得經過光纖耦合的半導體雷射光束品質比起半導體雷 射的光束品質更差。即便如此，光纖耦合半導體雷射仍然有其他雷射無法取代的 優點，如攜帶方便、架設時間快、使用者藉由控制光纖管口去移動雷射發射的方 向，使得雷射設備機動性更佳等[26, 27]。
51
(μm) 453.9287 454.6348 453.3558 453.8955 455.0006 聚焦後 X 軸
Diverge Angle (度)
(μm) 905.4498 898.7536 928.0118 922.7407 907.9418 聚焦點光腰半徑
(μm) 487.3487 487.7986 486.4384 487.0127 488.4278 聚焦後 Y 軸
Diverge Angle (度)
0.7596 0.7938 0.7886 0.7708 0.809
M2
y 25.1241 26.2796 26.0345 25.4758 26.8169
52
圖 4.4.1 光纖耦合半導體雷射光學設備構造圖
圖 4.4.2 光纖耦合半導體雷射光束光斑圖 Coupling lens f1=5cm f2=5cm 光纖耦合半導體雷射 @808nm
CCD Camera
Camera
53
圖 4.4.3 光纖耦合半導體雷射光束半徑變化軌跡圖
450 460 470 480 490 500
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
光 斑 長 度 (μ m)
CCD移動距離(mm)
光纖耦合半導體雷射光束半徑變化圖
X軸
Y軸
54
4-5 端面激發固態雷射的高斯多模組態與光束品質因子的關係
這一節中測試的雷射光源為端面激發固態雷射，由文獻[5, 28]中可知高斯多 模組態會影響雷射光束，因此我們自行組裝端面激發固態雷射來實驗並驗證雷射 光束品質的關係。圖 4.5.2 為端面激發固態雷射光學設備構造圖，我們使用波長 808nm 的半導體雷射為激發光源，此半導體雷射的光纖孔徑為 200μm，我們利用 一個 1 比 1 焦距 5cm 的透鏡組使半導體雷射的光束聚焦後激發 Nd:YVO4固態雷 射。其共振腔為一凹平腔，光來回共振後產生波長為 1064nm 的雷射光束並由反 射係數較低(PR, R=97%)的平面部分輸出耦合鏡輸出。在 4-2 節固態雷射中我們 曾經提過固態雷射是一具容易產生高斯多模組態的雷射設備，藉由調整共振腔全 反射鏡 X 軸位置，也就是離軸激發，即可產生高斯多模組態的雷射光束。
在雷射共振腔中最簡單的解為 TEM0,0，即所謂的高斯光束(Gaussian beam)，而 更高階的解其中之一為厄米-高斯波(Hermite-Gaussian Waves)TEMm,n， 可以表示為 下式[29, 30]:
55
56
Diverge Angle (度)
Diverge Angle (μm)
2.1365 2.6872 2.9766
M2
x 7.6322 10.4222 12.4036
57
圖 4.5.1 高斯多模組態理論與實驗質量因子關係圖
0 2 4 6 10 12 8 14
(0,0) (0,0) (1,0) (1,0) (2,0) (2,0) (3,0) (3,0) (4,0) (4,0) (5,0) (5,0)
光 束 質 量 因 子
高斯模態TEM(m,n)
理論值
實驗值
58
圖 4.5.2 端面激發固態雷射光學設備構造圖
Output coupler R=97%@1064 Coupling lens
f=5cm 1:1 Nd:YVO4 3*3*6 mm3
Front mirror ROC=600mm HR 1064nm HT 808nm LUMICS 20W LD
Coresize=200μm
Δx
59
(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖 4.5.3 理想化端面激發固態雷射光斑圖 (a)TEM00光斑圖 (b) TEM10光斑圖 (c) TEM20光斑圖(d) TEM30光斑圖(e) TEM40光斑圖[39-41]
F F
F F
F
60
(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖 4.5.4 端面激發固態雷射光斑圖於屏幕上 (a)TEM00光斑圖 (b) TEM10光斑圖 (c) TEM20光斑圖(d) TEM30光斑圖(e) TEM40光斑圖
61
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
圖 4.5.5 端面激發固態雷射光斑圖於 CCD 映像 (a)TEM00光斑圖 (b) TEM10光斑 圖 (c) TEM20光斑圖(d) TEM30光斑圖(e) TEM40光斑圖(f) TEM50光斑圖
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