第五章 鎖模雷射的介紹與實驗
5.3 實驗結果與分析
傳統晶體與鍵合晶體的輸入功率與輸出功率曲線如圖5-4(a)所示，由圖 中可發現傳統晶體與鍵合晶體的斜效率大致相同，傳統晶體與鍵合晶體的 斜效率大約 35%左右。兩種型式的晶體，操作在鎖模輸出時輸入功率的閾 值，分別都在 1.7W，當輸入功率超過 1.7W 時，會產生穩定的連續鎖模脈 衝波的輸出，如圖 5-4(b)所示。在連續波的鎖模操作，熱效應會導致最大 輸入功率臨界值(Critical input power)與基模輸出受到限制，當輸入功率超 過了最大輸入功率臨界值時，連續波開始出現不穩定的現象，如圖 5-4(c) 所示。由圖 5-4(a)可看出，傳統晶體與鍵合晶體的最大輸入功率臨界值分 別為5.4W 與 7.8W；熱效應同時也導致輸出功率的下降，此下降的功率點 為最大輸出功率的臨界值(Critical output power)，傳統晶體與鍵合晶體的值 分別為 2.3W 與 1.75W。總而言之，在最大輸出功率的比較，鍵合晶體比傳 統晶體增加約 30%，由於熱效應的降低。
利用自相關干涉儀的協助，我們量測鎖模脈衝波的半波寬度(FWHM)，
傳統晶體與鍵合晶體分別為8ps 與 24ps 如圖 5-5(a)和(b)所示；我們也量測 鎖膜雷射光譜的輸出，其輸出光譜的半波寬度，傳統晶體與鍵合晶體分別 為 0.17nm 與 0.007nm 如圖 5-6(a)和(b)所示。由此可看出，共振腔使用鍵 合晶體符合了輸出光譜變窄與脈衝寬度變寬的鎖模雷射，因此，利用鍵合
晶體使光譜變窄脈衝寬度變寬的起因是值得我們思索的。接下來，我們將 證明一個以鍵合晶體改變前端的非摻雜部分，使 spatial-hole-burning(SHB) 的減少，導致光譜變窄的研究。
增益介質放置前端(GE)和增益介質放置中間(GM)兩種型式相互轉換 的研究，在 spatial-hole-burning(SHB)的影響下，從固態鎖模雷射輸出的性 能，之前的研究發現相同的共振腔結構，將固態鎖模雷射增益介質放置前 端(GE)會比增益介質放置中間(GM)的脈衝寬度要短，由於 SHB 的提高。
以目前實驗的共振腔，我們替換原本為HR/AR 高反射與阻抗反射的增益介 質，改換成一個AR/AR 雙面為阻抗反射的 Nd:GdVO4雷射晶體，加上一個 平面的前腔鏡。我們使用一個微型可調的載具，調整增益介質與前腔鏡分 開相對的距離(d)，增益介質與前腔鏡的距離分別由 0.2mm 調整至 10mm，
我們發現鎖模雷射的脈衝寬度會平順的增加，分別由 15.8ps ~ 36.6ps，如圖 5-7 所示；光譜半波寬度的變化為0.085nm ~ 0.048nm，如圖 5-7 所示。總 而言之，增益介質與前腔鏡分開的距離與鎖膜雷射輸出的脈衝寬度有強烈 依存的關係。參考圖 5-7 所示實驗的結果，鍵合晶體非摻雜的等效長度大 約是 4.5mm，這意味著雷射光譜變窄，脈衝寬度大約會是它的 2 倍，這與 我們實驗觀察到的現象相當吻合。因此，鍵合晶體非摻雜部分最佳長度的 考慮，將影響了鎖模雷射輸出的脈衝寬度。
圖 5-4(a) 傳統晶體與鍵合晶體在鎖模操作下輸入功率與輸出功率曲線圖
圖 5-4 連續鎖模脈衝波(b)穩定狀態(c) 不穩定狀態下的輸出波形
Incident pump power (W)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
A verag e o utput p ow er (W )
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
conventional crystal composite crystal
(a)
(b) 20 ns/div
(c) 20 ns/div
圖 5-5 (a)傳統晶體(b)鍵合晶體在鎖模操作下輸出脈衝波寬度的 FWHM
Autocorrelation intensity (a.u.)
Time delay (ps) Pulse width ~ 8ps
Autocorrelation intensity (a.u.)
Time delay (ps) Pulse width ~ 24ps
36.5 ps
(b)
Wavelength (nm)
1062.9 1063.0 1063.1 1063.2 1063.3 1063.4 1063.5 1063.6
In ten sity (a.u .)
0.0
Wavelength (nm)
1062.8 1062.9 1063.0 1063.1 1063.2 1063.3 1063.4 1063.5
In ten sity (a.u .)
0.0
圖 5-7 增益介質與前腔鏡分開的距離和鎖模雷射輸出的脈衝寬度與輸出 光譜寬度的關係圖
d (mm)
-2 0 2 4 6 8 10 12
P ulsewid th ( ps )
10 15 20 25 30 35 40
B andw idth ( nm )
0.03 0.05 0.07 0.09 0.11 0.13
5.4 結論
在結果中，設計一個線性共振腔，執行被動式鎖模輸出的操作，去比 較傳統晶體與鍵合晶體 Nd:GdVO4的研究，我們發現儘管鍵合晶體有效降 低熱效應，但是脈衝寬度卻比傳統晶體得到的還要寬。在實驗結果的說明，
增益介質和前腔鏡分開的相對距離與SHB 效應的程度有相對關係，利用此 相對的關係證明了鎖模脈衝寬度的起因是使用鍵合晶體。我們的研究也顯 示出，獲得一個最佳化的鎖模脈衝波寬度，必須考慮鍵合晶體非摻雜部分 的長度。
第六章 結論與未來展望
6.1 結論
經由一連串的實驗與討論，整個論文的實驗大致可分為三個部分，第 一個部分是我們對於Nd:YVO4晶體的特性介紹，Nd:YVO4是一個品質非常 好的雷射晶體，實驗結果使我們清楚看出a-cut Nd:YVO4的偏振特性，對π (c-axis)的偏振激發光吸收係數遠大於對 σ (b-axis)偏振激發光的吸收係數，
且對809 nm 的激發光有較高的吸收率。
第二部分則是 CW 雷射與脈衝雷射使用鍵合晶體與傳統晶體熱效應的 比較，我們發現腔長的改變與操作不同重複率的比較，鍵合晶體的最大輸 入功率與最大輸出功率都遠大於傳統晶體，證明了鍵合晶體確實是解決雷 射晶體熱效應的好方法。
第三部份我們利用鍵合晶體Nd:GdVO4 在SESAMOC 半導體飽和吸收 體鎖模操作的實驗，我們發現鍵合晶體有效降低熱效應，但是脈衝寬度卻 比傳統晶體得到的還要寬，實驗結果說明，鎖模脈衝寬度變寬的起因是鍵 合晶體非摻雜部分長度所造成的。
6.2 未來展望
在未來的工作中，以此實驗的結果，建議公司將目前端面激發固態二極 體雷射使用的傳統晶體，改用鍵合晶體取代，搭配到實際雷射加工機的應 用，做實際加工的比較，減少熱效應的產生，提高雷射加工的性能與穩定 性。另一個研究方向可針對雙端摻雜的鍵合晶體進行實驗，同樣以端面激 發固態二極體雷射架構，使用單端鍵合晶體與雙端鍵合晶體熱效應的比 較。
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