實驗裝置

「光纖放大器」的實驗架構，如下圖 4.1.1 「Nd:YVO4/Cr⁴⁺ :YAG-被動式 Q-開關光纖放大器」雷射實驗裝置圖所述:

1. 激發光源(pumping source): 20-W, 976 nm, 光束直徑 200m, 數值 孔徑(N.A.) 0.2° 光纖耦合式雷射二極體。

2. 聚焦透鏡(coupling lens): 焦距長度 25 mm

3. 面鏡(mirror): 高穿透率(HT, T>90% @ 976 nm) / 高反射率(HR, R>99.8% @ 1030 ~ 1100 nm)

4. 摻鐿光纖(Yb-doped Panda-style PM double clad fiber---Nefern) 光纖長度 3 公尺, (Panda-style polarization maintaining PM) 為廣泛 應用於維持光極化性的双包覆(double cladding)光纖；其應力作用

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區域(Stress applying parts SAP)所作用的雙折射率 1.5x10^-4, 核心 直徑為 30m(數值孔徑 N.A=0.06)；內 層包覆直徑為 250m

(N.A=0.46)，光譜吸收衰竭率為 6.6 dB/m @ 975 nm，此外 為了消 除光纖兩邊端面所造成的反射效果，我們將光纖兩邊端面口裁切 為 8° 的 斜 面 。 下 圖 4.1.2 所 示 即 為 Panda-style polarization maintaining 光纖顯微截面圖。

實際實驗過程的激發光束半徑大小約略為 100m，估計透過光纖 後的光耦合效益為 85%；而種子源光束透過耦合透鏡重新聚焦入 射到摻鐿光纖內，其光能量耦合效益約略為 30%，而其中光半波 面(half-wave plate)將透過入射到光纖的光傳導快軸(fast-axis)藉以 控制維持光極化性。

圖4.1.1「Nd:YVO4/Cr⁴⁺:YAG-被動式Q-開關光纖放大器」雷射實驗 裝置圖

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圖4.1.2 摻鐿光纖截面圖(Panda-style PM fiber)

4.2.2 實驗結果

我們將「Nd:YVO4/Cr⁴⁺:YAG - 被動式 Q-開關種子雷射」在飽和吸 收體 Cr⁴⁺:YAG 初始穿透率分別為 70%(最高重複率)、以及 40%(最 高峰值功率)的實驗結果，當作種子源雷射光束，導入上述「光纖放 大器雷射」架構，得到以下相關實驗數據:

(1) 飽和吸收體初始穿透率T₀=70% / 最高重複率 50 kHz / 脈衝 峰值功率 4.5 kW。

由圖 4.2.1 我們可以知道，在激發入射光功率 16 W 時，我們可以得 到放大激發光脈衝平均功率為 8.9 W，脈衝能量為 178J，由圖中斜 率去計算其功率效益大約為 54 %，最大峰值功率 37 KW。 由下圖

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4.2.2 為示波器擷取單一發脈衝雷射於最大脈衝能量輸出時的波形圖。

由下圖 4.2.3 示波器所擷取的波形圖可以得知在峰值功率為 37 kW 時，

其脈衝寬度為 4.8 ns 且兩兩脈衝之間的振幅波動率小於 1.5%均方根 值(root mean square)。

圖4.2.1 激發光功率對應平均功率以及峰值功率圖

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圖4.2.2 最大峰值功率37 kW,脈衝寬度為4.8 ns

圖4.2.3 Cr⁴⁺:YAG T0=70% 脈衝放大重覆率圖

(2) 飽和吸收體初始穿透率T₀=40% / 脈衝重複率 25 kHz / 脈衝 峰值功率 21.2 kW。

由下圖 4.3.1 激發光源功率對應平均功率與峰值功率圖可以得知不同

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的激發光功率時，所得到的相對應平均功率以及峰值功率曲線。 當 入射激發光源功率 10 W 時，其透過光纖放大激發機制後，得到脈衝 平均功率為 4.8 W，脈衝能量計算值為 192J；由下圖計算其功率能

量效益約略為 47 %，最大峰值功率為 113 KW。 由下圖 4.3.2 為示波 器擷取單一發脈衝雷射於最大脈衝能量輸出時的波形圖。由下圖 4.3.3 示波器所擷取的波形圖可以得知在峰值功率為 113 kW 時，其脈衝寬 度為 1.6 ns 且脈衝之間的振幅波動率小於 4%均方根值。

圖4.3.1 激發光源功率對應平均功率與峰值功率圖

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圖4.3.2 最大峰值功率113 KW,脈衝寬度為1.6 ns

圖4.3.3 Cr⁴⁺:YAG T0=40% 脈衝放大重覆率圖

由上圖 4.3.1 我們可以發現到，我們所能獲得的相關能量數據將受 限在激發光束功率為 10 W 時，此時光纖的出光端面將因為達到光纖

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端面的最大能量耐受上限，而出現明顯的損毀情形。 同時間，我們 計算光纖端面光能量強度時，得到結果為 27.2 J/cm²， 而此一計算結 果亦符合文獻報告中矽晶表面對於 1064 nm 波長激發雷射光端面破壞 的相關結果。[16] 下圖 4.4 即為當光纖端面因為超過最大能量耐受度 時，出現毀損時的端面及剖面顯微圖片。

圖4.4 光纖超過最大耐受能量端面破壞圖

我們由上面兩個實驗結果中可以得知兩者放大效益時所產生的時序 擾動均小於 2%均方根值，且雷射輸出品質的M²因子，亦小於 1.3。

而因為光纖內部應力改變所造成的極化改變率，經過量測結果所得大 約為 100:1

下圖 4.5.1 以及 4.5.2 則分別為當 Cr⁴⁺:YAG T0=70%以及 Cr⁴⁺:YAG T0=40%輸出最大能量時的頻譜擷取圖。 由圖中可以發現在 1040nm 波長附近有一個微小脈衝突起，其大小則分別約略為 30dB 以及 40dB。

此現象即為「摻鐿光纖」在激發過程中所產生的「自發性幅射放大」

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(Amplified Spontaneous Emission)效應。 而此「自發性輻射放大」效 應在我們所得到的實驗結果中約略小於最大輸出功率的 2%(MOPA1 Cr⁴⁺:YAG T0=70%，峰值功率 37 kW)以及 0.5%(MOPA2 Cr⁴⁺:YAG T0=40%，峰值功率 113 kW)。

圖4.5.1 激發光源功率16W時MOPA1頻譜圖

圖4.5.2 激發光源功率10W時MOPA2 頻譜圖

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