4.1 導論
掺釹釩酸鹽類晶體由於其受激輻射面積大、以及在 808nm 波段有強吸收，所 以在固態雷射的研究裡，在增益介質的選用上，很受到學者青睞。掺釹釩酸鹽類 晶體在808nm 波段的激發下，躍遷出 914nm、1064nm、和 1342nm 這三各增益 較大的波段；其中我們利用1064nm 和 1342nm 這兩各近紅外光波段作為基頻光，
利用腔內二倍頻及三倍頻轉換的技術，來獲得紅光、綠光、藍光、和紫外光等四 種波段。因此選擇不同種類的掺釹釩酸鹽類晶體當作腔內頻率轉換的增益介質，
來比較其優劣與否。
本章主要是介紹 671nm、532nm、447nm 以及 355nm 雷射的實驗成果，其 中嘗試著改變腔內頻率轉換優化的因子，除了增益晶體的選擇外，也強調基頻光 與倍頻光極化方向之間的角度搭配，我們也在共振腔內引入了A-O 晶體做為 Q-開關，都會對腔內三倍頻光之輸出效率有顯著的影響。
4.2 532nm 綠光雷射
以 1064nm做為基頻光，經過非線性晶體做二倍頻諧波轉換，可獲得 532nm
的綠光雷射。以半導體雷射做為激發光源，A-O晶體做為Q開關的腔內倍頻雷射，
具有體積小、效率高、重複率高等優點。在工業上（例如:雷射測距、雷射切割、
通訊…等方面）、醫學上都有良好及廣泛的應用。在高重複率、高功率的固態雷 射中，採用Nd:YAG或Nd:YVO4晶體為增益介質的半導體激發式全固態腔內倍頻 綠光雷射的研究中，都可獲得良好的高功率綠光輸出，尤其以Nd:YVO4晶體為增 益介質時，已可獲得平均功率4.5W的綠光輸出[19]。由於Nd:YVO4晶體有受激輻 射截面積大，以及在808nm波段有強吸收等優點，所以常被拿來用在固態雷射中 做為增益介質。因此我們這裡比較不同類型增益介質之綠光輸出的優劣。
實驗架構
實驗裝置如圖 4.1 所示。採用半導體雷射輸出的 808nm雷射經由光纖耦合至 2:1 的聚焦耦合鏡組，聚焦至增益介質上，其中增益介質的選用，我們挑選了 4 根a-cut的 0.5% Nd:YVO4、0.27% Nd:GdVO4、0.2% Nd:Gd0.7Y0.3VO4、0.2%
Nd:YVO4，不同濃度、摻雜Gd和Y離子的晶體，晶體長度各別是 7mm、10mm、
10mm、10mm，以銅座包覆且通水溫控。聚焦耦合鏡組輸出端面上鏡子鍍膜對 1064nm和 532nm為高反射，做為雷射共振腔的前鏡，曲率半徑為 500mm，亦為 ㄧ凹面鏡。做為Q-開關的A-O晶體長度為 30mm，材質為Crystal Quartz，晶體兩 端面皆對1064nm和 1342nm做抗反射的鍍膜，中心頻率操作在 27.12MHz，提供 15W的rf訊號。在非線性晶體的選用上，我們選用KTP晶體，因為KTP有大範圍 的透光波段（350nm~4000nm）、非線性係數大、寬的光學允許角、大範圍的忍受 溫度、良好的傳熱性質及高破壞閥值的優點。II類相位匹配KTP（θ=90o，φ=23.5o， e + o→ e）【14】，晶體長度為10mm，同樣以銅座包覆且通水溫控，晶體兩端鍍 上 1064nm及 532nm抗反射膜。輸出耦合鏡有鍍膜對 1064nm為高反射和 532nm 為高穿透。此實驗架構的腔長約為6.2cm。
實驗結果及討論
由於低濃度的Nd:YVO4或是摻雜Gd或Y離子混晶的晶體，可以承受較大的激發 功率，也可避免因熱堆積造成晶體的損傷，而濃度越低，所承受的激發功率就越 高。圖 4.2 為激發功率與 532nm脈衝雷射輸出功率關係圖。因為基頻光 1064nm 的增益較高，所以對光束品質要求不是很高，可發現四顆增益介質的效率差不 多。其中以0.5% Nd:YVO4摻雜Nd3+的濃度最高，所以沒辦法像其他三顆晶體一 樣可以激發更高的功率。由圖4.2，0.2% Nd:YVO4在激發功率為17.26W，Q-開 關重複率為45kHz時，可獲得最高平均輸出功率 2.93W的 532nm綠光輸出，其光 對光轉換效率約為17%。
由圖 4.3，0.27% Nd:GdVO4在激發功率為15.73W，Q-開關重複率為 45kHz 時，其平均輸出功率2.82W的 532nm綠光輸出，可獲得最佳的光對光轉換效率約 為18%，脈衝寬度為 24.51ns，峰值功率為 2.57kW。由圖 4.4，激發功率固定為 15.73W，隋著Q-開關的重複率增高時，其脈衝寬度會增寬，平均輸出功率有遞 增的趨勢進而到達飽和，且峰值功率也隨之降低。
4.3 355nm 紫外光雷射
高功率的二極體激發式腔內三倍頻 355nm 紫外光雷射在微鑽孔、軟板切
割、雷射回火、立體印刷、電路板加工等方面都有著廣泛的應用。本小節，主要 是選擇適當基頻光與倍頻光極化方向的角度搭配，以及不同類型增益介質的比 較，來獲得最佳的355nm 的紫外光雷射輸出。
實驗架構
實驗裝置如圖4.5 所示。採用半導體雷射輸出的 808nm雷射經由光纖耦合至 2:1 的聚焦耦合鏡組，聚焦至增益介質上，其中增益介質的選用，我們挑選了 4 根a-cut的 0.5% Nd:YVO4、0.27% Nd:GdVO4、0.2% Nd:Gd0.7Y0.3VO4、0.2%
Nd:YVO4，不同濃度、摻雜Gd和Y離子的晶體，晶體長度各別是 7mm、10mm、
10mm、10mm，以銅座包覆且通水溫控。聚焦耦合鏡組輸出端面上鏡子鍍膜對 1064nm、532nm和 355nm為高反射，做為雷射共振腔的前鏡，曲率半徑為 500mm，亦為ㄧ凹面鏡。做為Q-開關的A-O晶體長度為 30mm，材質為Crystal Quartz，晶體兩端面皆對 1064nm和 1342nm做抗反射的鍍膜，中心頻率操作在 27.12MHz，提供 15W的rf訊號。在非線性晶體的選用上，我們選用Type II KTP 和Type I BBO，其中KTP晶體主要的作用是要對 1064nm作二倍頻轉換成 532nm，
而BBO晶體主要的作用是要對 1064nm和經由KTP二倍頻得到的 532nm，兩個波 段作和頻的動作去獲得 355nm的紫外光，也相等於是三倍頻轉換。所以緊接在
A-O晶體後面的是Type II KTP晶體，晶體長度為 10mm，與前面的 532nm綠光雷 射實驗的晶體是同一顆，同樣以銅座包覆且通水溫控。我們先加入ㄧ片濾鏡，其 直徑約為2.54cm，其面上有針對 355nm鍍高反射膜（R=93%），主要目的是要防 止經由BBO晶體所獲得的 355nm折回腔內造成增益介質的不良吸收，以及共振腔 內的損耗，而降低轉換效率。接著在濾鏡之後再擺入Type I BBO（θ=31.3o，φ=0o， o + o → e）晶體【14】，晶體長度為8mm，以銅座包覆且通水溫控。輸出耦合鏡上 有針對 1064nm、532nm鍍膜為高反射（R>99%），以及對 355nm鍍膜為高穿透
（T>90%）。此實驗架構的腔長約為 9.2cm。
為了獲得最佳的355nm 的三倍頻光輸出，因此我們必須考慮到基頻光與倍 頻光的極化方向有最佳的角度搭配，根據我們由第三章所提到的極化匹配的方 式，所以我們把KTP 晶體的 E 軸與增益介質的 C 軸夾 30 度，在把 BBO 的 O 軸 夾在30 度的中間，也就是 BBO 的 O 軸與增益介質的 C 軸夾 15 度，所以輸出之 三倍頻光的極化方向會與BBO 的 E 軸方向。
實驗結果及討論（一）
在 355nm紫外光雷射的實驗中，主要也是要比較四顆增益介質的優劣。圖 4.6 為激發功率與 355nm脈衝雷射輸出功率關係圖。由圖可看出 0.5% Nd:YVO4有 較佳的355nm紫外光雷射輸出，其次為 0.2% Nd:YVO4，而0.2% Nd:Gd0.7Y0.3VO4
和0.27% Nd:GdVO4的輸出效率較差，但0.2% Nd:Gd0.7Y0.3VO4在高功率時，功率 有上不去的趨勢。由圖4.6，由於 0.5% Nd:YVO4的濃度較高，激發功率若太高，
會導致晶體損害，所以只讓激發功率提供到 12.5W，此時Q-開關重複率為 30kHz，可獲得平均功率 608mW的 355nm紫外光輸出，其光對光轉換效率為 4.86%。由圖 4.7，激發功率固定為 12.5W時，Q-開關的最佳重複率為 35kHz，可 獲得平均輸出功率 622mW的 355nm紫外光輸出，其光對光轉換效率為最佳的 4.98%，脈衝寬度為 15.76ns，峰值功率為 1.13kW。
從圖 4.6 可知，0.2% Nd:YVO4在Q-開關重複率為 30kHz時，平均輸出功率雖 遠不如0.5% Nd:YVO4，但是由圖4.8 為 0.2 Nd:YVO4 Q-開關操作重複率對平均 輸出功率的關係圖，激發功率固定在14.1W時，Q-開關的最佳重複率為 50kHz，
可獲得最佳平均輸出功率 688mW的 355nm紫外光輸出，其光對光轉換效率為 4.88%。圖 4.9（a）為最佳狀態下的脈衝波形，脈衝寬度為 16.06ns，峰值功率為 857W。圖 4.9（b）可看出每ㄧ發的脈衝相當穩定。
實驗結果及討論（二）
我們由上述綠光及紫外光一系列波段的實驗中發現，實驗中得到 0.5 % Nd:YVO4與0.2% Nd:YVO4有最佳的355nm紫外光輸出，尤其是 0.2% Nd:YVO4在 Q-開關重複率為較高的 50kHz，可得到最佳的 355nm的紫外光輸出，原本預期 0.5% Nd:YVO4可以獲得最高355nm的紫外光輸出，但是受限於摻雜較高濃度的 Nd離子，激發功率不能太高，所以沒有得到最佳的輸出功率，但是其光轉換效 率是最好的。而混晶的 0.2% Nd:Gd0.7Y0.3VO4和 0.27% Nd:GdVO4都有不錯的 532nm綠光輸出，但在三倍頻的 355nm紫外光輸出卻效果不佳，主要是因為我們 利用Type I的BBO晶體來當作混頻元件，而BBO晶體的光學允許角比較小相對於 其他類型的非線性晶體，所以對光束品質的要求較高，而晶體長度越長其光束品 質越差，主要是激發光源聚焦在增益介質裡，之後光源會開始發散，若晶體越長，
相對的發散角就越大，因此以高濃度0.5% Nd:YVO4的長度較短，且Nd:YVO4的 增益較Nd:GdVO4與Nd:Gd0.7Y0.3VO4來的高，因此高濃度的0.5% Nd:YVO4是此系 列晶體最適合拿來做355nm的紫外光雷射。
4.4 671nm 紅光雷射
利用 1342nm 為基頻光，倍頻後可得到 671nm 的紅光雷射輸出。因基頻光的 受激輻射有效截面積[8]比較低，也就是說增益較低，所以倍頻後 671nm 紅光雷 射的轉換效率沒有相同是倍頻後 532nm 的綠光雷射來得好。而我們這裡比較不 同類型增益介質之紅光輸出的優劣。
實驗架構
671nm紅光雷射與前面所介紹的 532nm綠光雷射大同小異。實驗裝置如圖 4.10 所示。半導體雷射輸出的 808nm雷射經由光纖耦合至 2:1 的聚焦耦合鏡組，
聚焦至增益介質上，其中增益介質的選用，我們挑選了 4 根a-cut的 0.5%
Nd:YVO4、0.27% Nd:GdVO4、0.2% Nd:Gd0.7Y0.3VO4、0.2% Nd:YVO4，不同濃度、
摻雜Gd和Y離子的晶體，晶體長度各別是 7mm、10mm、10mm、10mm，以銅座 包覆且通水溫控。聚焦耦合鏡組輸出端面上鏡子針對1064nm和 808nm鍍上高穿 透膜，以及對 1342nm和 671nm鍍上高反射膜（R>99%），做為雷射共振腔的前 鏡，曲率半徑為500mm，亦為ㄧ凹面鏡。做為Q-開關的A-O晶體長度為 30mm，
材質為Crystal Quartz，晶體兩端面皆對 1064nm和 1342nm做抗反射的鍍膜，中心 頻率操作在 27.12MHz，提供 15W的rf訊號。在非線性晶體的選用上，我們選用 了II類相位匹配KTP（θ=60o，φ=0o，o + e → o）【14】，晶體長度為10mm，同樣 以銅座包覆且通水溫控，晶體兩端鍍上1342nm及 671nm抗反射膜。輸出耦合鏡
材質為Crystal Quartz，晶體兩端面皆對 1064nm和 1342nm做抗反射的鍍膜，中心 頻率操作在 27.12MHz，提供 15W的rf訊號。在非線性晶體的選用上，我們選用 了II類相位匹配KTP（θ=60o，φ=0o，o + e → o）【14】，晶體長度為10mm，同樣 以銅座包覆且通水溫控，晶體兩端鍍上1342nm及 671nm抗反射膜。輸出耦合鏡