4.3 藍光雷射的實驗結果
4.2 節已介紹過綠光實驗的架構及其結果，本節將詳細的說明藍 光實驗的架構。藍光與綠光的實驗架構雷同，僅替換增益介質為 Nd:YAG、倍頻晶體為 KNbO3。緊接著將討論我們所選用的增益介質 與倍頻晶體及在 3W 幫浦下藍光的輸出功率的情形。最後，探討藍光 雷射系統的輸出功率對熱之變化情形。
增益介質
對藍光雷射而言，是屬於準三能階雷射架構，因此在選擇增益介
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
0 2 4 6 8 10 12 14 16
幫浦時間 (分)
綠光平均輸出功率
(mW)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2
瞬時變化率 (%)
圖 4.10 綠光雷射輸出功率的穩定性
質上就必須考量其對熱是否具有較高的接受條件。如 3-1 節所述，以 Nd:YAG 而言，946 nm 輻射輸出的下能階能量與基態能階能量差為 0.1eV，為 Nd:YVO4的兩倍，且 Nd:YAG 的熱傳導率大約是 Nd:YVO4 的三倍，即使在高溫之下，仍能保持準三能階雷射的特性。所以，在 藍光雷射方面的增益介質我們選用 Nd:YAG 晶體。其規格如表 4-5，
其他有關 Nd:YAG 的物理特性已在 3-1 節討論過，這裡不再重述。
晶體尺寸 鍍膜 (coating)
φ 6×1 mm
3 HR @ 946 nm HT @ 808 nm
倍頻晶體：
產生藍光雷射中，最常使用的倍頻晶體如表 4-6 所示。KNbO3 最大的優點是其非線性係數為 KDP 晶體的 37-45 倍，但因可接受角 較低易影響倍頻的效率。此外，由於溫度頻寬只有 0.3 °C-cm，一旦 晶體溫度變化較大，折射率改變所導致的相位不匹配，將降低其轉換 效率。BBO 是一個單光軸的非線性晶體，具有高非線性係數、高損 害臨界值、相位匹配的波長範圍極寬與極大的溫度頻寬等優點，常使 用在各種非線性的雷射應用，但因雙折射性大使其具有較大的分離角 (walk-off anlge)，限制了晶體的使用長度，且倍頻光的輸出模態變得 較差。LBO 其光損害臨界值極高、雙折射性較 BBO 小、較大的可接 受角及接近於零的分離角，故可使用較長的晶體以提高轉換效率，但 僅 1.5 倍於 KDP 的非線性係數，則是三種倍頻晶體中最小的。
表 4-5 Nd:YAG 的規格表
表 4-6 倍頻晶體之特性比較
倍頻晶體 KNbO
3
β
-BBO LBO英文名稱 Potassium Niobate Beta Barium Borate Lithium Triborate 相位匹配角度 Θ=90°, φ=65.8° Θ=25.7°, φ=0° Θ=90°, φ=15°
折射率
na=2.22
nb=2.26 @1064 nm nc=2.12
no=1.66
ne=1.54 @1064 nm
nx=1.57
ny=1.59 @1064 nm nz=1.61
透明範圍 400 - 4500 nm 190 - 3500 nm 160 - 2600 nm 有效非線性係數
(相較於 KDP) 37-45 3.9-4.4 1.5
可接受角 0.24 mrad-cm 0.2-0.5 mrad-cm 0.9 mrad-cm
溫度頻寬 0.3 ℃-cm 55 ℃-cm 4 ℃-cm
分離角 0.79° 3.2° 0(NCPM)
光損害閥值 0.35 GW/cm2 5 GW/cm2 18.9 GW/cm2
晶體結構 雙光軸晶體 單光軸晶體 雙光軸晶體
藍光雷射系統同綠光雷射系統，皆屬於微晶體雷射，所不同的是 增益介質 Nd:YAG 與倍頻晶體 KNbO3之間並不是用特殊的光學膠黏 合，而是採用擴散黏合(diffusion bounding)的技術。此技術在藍光 部分目前僅有 Nd:YAG 擴散黏合 KNbO3，雖然 KNbO3的溫度頻寬 很小但只要做好溫度的控制，因其非線性係數為 KDP 晶體的 37-45 倍可以彌補其他的缺點。
我們使用的共振腔是以長度為 1 mm 的增益介質 Nd:YAG 擴散黏 合長度為 3 mm 的倍頻晶體 KNbO3，各在其未粘合的那端端面鍍上 需要的鍍膜，如圖 4.11 所示，在 Nd:YAG 端鍍上對 946 nm 高反射 率、808 nm 高穿透率的膜；在 KTP 端鍍上對 946 nm 高反射率、
473 nm 高穿透率的膜，形成一個平行式的共振腔。整個共振腔體 積是相當的小且簡單，僅有 4mm 長，且無需額外的輸出耦合透鏡。
同樣地，為了得到最佳的功率輸出，要使幫浦光源與共振腔內存 在的模態達到模態匹配。與綠光雷射系統相同，利用 Beam4 的計算，
調整雷射二極體與自聚焦透鏡的距離 L1、自聚焦透鏡與共振腔的距離 L2，得到幫浦光源尺寸與藍光雷射輸出功率的關係，如圖 4.12 所示：
共振腔
17.6
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
40 50 60 70 80 90 100 110 120
激發光源的尺寸 (
µ
m)473nm 藍光輸出功率 (mW)
圖 4.12 激發光源尺寸與輸出藍光功率的比較 圖 4.11 藍光雷射實驗架構圖
Nd:YAG : HR @ 946nm HT @ 808 & 1064nm
L1 L2
3W 808nm 雷射二極體
自聚焦透鏡(0.29 pitch)
KNbO3 : HR @ 946nm HT @ 473nm
473 nm
從圖 4.12 可以看出來，當我們的幫浦光源尺寸在 55.1
µ
m 時，模 態匹配最好，在 3W 的雷射二極體輸出功率下，有 17.6 mW 的藍光功 率輸出。其 L-I 曲線如下圖：我們已成功的完成藍光微晶體雷射，且 在 3W 雷射二極體的幫浦 功率下，可以得到 17.6 mW 的 473 nm 藍光功率輸出。由圖 4.13 的 L-I 曲線圖可以看出，其斜率效率約為 20 %，且在幫浦功率約 3 W 時，
整個曲線仍沒有飽和的現象，因此，我們相信在增加幫浦功率下，可 以得到更高的藍光雷射輸出。為提高幫浦功率，我們改以 15 W 的光 纖耦合輸出半導體雷射(fiber pigtailed laser)來取代之前的 3 W 雷射二 極體，其餘部分不變，如圖 4.14 所示：
0.00 5.00 10.00 15.00 20.00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
幫浦功率(mW) 473nm 藍光輸出功率(mW)
17.6
圖 4.13 473 nm 藍光的 L-I 曲線圖
實驗的結果，藍光的輸出功率並不如預期，僅在 10 mW 左右，
且只維持了數秒便衰減到幾十個微瓦左右，可能的原因是晶體溫度太 高所致。由於我們使用的光纖耦合半導體雷射是利用一條直徑為 600
µ
m 的光纖將半導體雷射的功率耦合出來，由於發散角比一般雷射 二極體來得大，加上光纖直徑為 600µ
m，經由自聚焦透鏡作用後不易 將之聚到 200µm 以下，由圖 4.12 知道，最佳的幫浦光模態匹配為 55.1µ
m，故此光纖耦合半導體雷射的輸出功率大部分以熱的形式被晶 體吸收，造成晶體溫度過高，轉換效率不佳所致。另外，光纖耦合半 導體雷射所耦合出來的光並非線性極化，也是造成藍光雷射效率不高 的原因之一。在準三能階的雷射中，熱對其影響比對四能階雷射來得大，圖 4.15 中為以 3 W 雷射二極體幫浦下，在固定的一組 L1與 L2下量測了 雷射在開機 20 分鐘內，藍光雷射輸出功率的變化情形，右側縱座標
共振腔
圖 4.14 光纖耦合輸出半導體雷射幫浦的藍光雷射實驗架構圖
Nd:YAG : HR @ 946nm HT @ 808 & 1064nm
L1 L2
KNbO3 : HR @ 946nm HT @ 473nm 自聚焦透鏡(0.29 pitch)
15 W 808nm
光纖耦合半導體雷射
473 nm
的輸出功率變化在長時間下約為 12 %左右。