第五章 被動式 Q 開關 Yb:YAG 環形雷射數值模擬
5.2 實驗結果與分析
由於上述速率方程式變數間相互耦合，並沒有解析解，必須透過 數值分析的方法去分析此速率方程式。在本論文中採用有限時域差分 (finite difference time domain;FDTD)法，來分析此被動式 Q 開關雷射
[29],[30]
。本篇論文主要使用 Fortran 程式模擬，程式模擬時所用的主 要參數如表5-1
所示，詳細的程式內容可參照本論文的附錄一部分。表5-1 電腦模擬之主要參數
參數 數值
晶體長度Lg 0.9 mm
自發輻射生命期tg 951 μs
Yb3+摻雜濃度 Nion 2.78×1021 cm-3 吸收截面 σg 2×10-20 cm2 Yb:YAG
折射率 n 1.823
晶體長度Ls 0.3 mm
自發輻射生命期ts 3.2 μs
初始穿透率T0 98%
基態能階吸收截面積
σGSA 1.4×10-18 cm2 Cr4+:YAG
激發態能階吸收截面
積σESA 1.2×10-19 cm2
共振腔腔長 L 5.23 cm
輸出透鏡曲率半徑 R 5.18 cm
迴圈穿透率 10.5%
0
Pump power (W)
Repetition rate (kHz)
Experiment
Pump power (W)
Pulse width (ns)
Experiment Simulation
圖 5.5 實驗與模擬在脈衝寬度上的比較
圖 5.4 及圖 5.5
分別為模擬被動式Q 開關 Yb:YAG 雷射重複頻率 及脈衝寬度與實驗結果的比較，這是我們首次建立被動式 Q 開關 Yb:YAG 環形雷射模型，在脈衝寬度與重複頻率的比較上，程式模擬 的結果與實驗有相當程度的吻合，可見所建立的理論模型有不錯的可 信度，但重複頻率模擬值的斜率與實驗數據間仍有少許的差距，其原 因可能是因為我們的理論模型中，是將整個雷射系統視為空間中的一 點，以觀察雷射表現在時間上的變化，但如此卻忽略了諸如幫浦模 態、雷射模態、雷射增益及損耗的空間分佈變化所造成的影響，使程 式的模擬結果與實驗數據間存有些許的誤差。第六章 結論
實驗方面
本論文在Yb:YAG 環形雷射方面，在成功提昇散熱效率，及嘗試 不同迴圈穿透率及塊材晶體長度，使用長度1.2 mm 晶體，在迴圈穿 透率16.4%，將斜率效率提升至 50.3%。
在嘗試新的散熱架構方面，首次做出Yb:YAG 晶纖環形雷射，利 用銅鋁包覆 Yb:YAG 晶纖，大幅改善散熱問題，不僅斜率效率提升，
並且降低雷射幫浦閥值，在迴圈穿透率19.6%時，做出目前最高的斜 率效率54.7%，最高輸出功率達 182 mW。
理論方面：
首次建立被動式 Q 開關 Yb:YAG 環形雷射模型，其程式模擬結 果在重複頻率與脈衝寬度方面，和實驗數據間有不錯的吻合，證明建 立的理論模型有一定可信度。
未來工作：
在 Yb:YAG 晶纖雷射方面，嘗試不同直徑及不同長度的晶纖樣 品，並配合本實驗室的離子源助鍍系統(ion source assisted deposition) 提高晶纖樣本光學薄膜的品質，期望進一步提升雷射效率。
若期望提高 Yb:YAG 環形雷射的輸出功率，在幫浦方面可以使用 雷射二極體提高輸入功率，但使用雷射二極體勢必會有較差的模態匹 配及產生更大散熱問題，這些都是必須改善的問題。
不論是提升斜率效率或是輸出功率，皆是為了應用在鎖模雷射方 面，本實驗室的環形雷射的架構適合運用在小型鎖模雷射，只需在雷 射鏡上作色散補償的薄膜設計，不需加入額外的光學元件，即可完成 光學元件少、體積小的鎖模雷射。