改變腔體

z [前言]

以往腔內光參數振盪器其共振腔的設計，大多是部分重疊的共振腔[1]。就是 在前鏡鍍上 1064nm 高反射膜，於輸出鏡鍍上 1064nm 高反射膜以及 1573nm 部份 反射膜，於 KTP 鍍上 1573nm 高反射膜；將雷射光鎖在前鏡與輸出鏡之間共振、

而光參數主要在 KTP 與輸出鏡間共振並由輸出鏡輸出。於是就形成了雷射共振 腔與光參數振盪的共振腔部分重合。以往使用此種腔體來做光參數振盪器研究，

與到最大的困難是：由於非線性晶體上需要鍍上高反射膜，在高功率激發時，往 往很容易造成晶體的損害。於是，我們開始尋找比較適當的方法，是否可以降低 晶體的損害率。

在激發拉曼散射實驗中[2]，提出了一個新的想法：利用所謂完全重疊（shared）

的腔（two-mirror），取代之前的部分重疊的腔（three-mirror）。其實驗結果發現，

利用完全重疊的腔來做激發拉曼實驗，不僅可提高腔內的穩定性，其功率也較高。

我們將激發拉曼散射實驗中所利用的完全重疊的腔，引入光參數振盪器的構 造內。主要的設計，是在前鏡與輸出鏡鍍上 1573nm 以及 1064nm 高反射膜，使 得信號光與激發光同時在前鏡與輸出鏡面間共振，形成光參數振盪器與激發雷射 完全重疊的腔。

由上一個實驗結果，我們得知 Nd:GdVO4的輸出功率比較高，以下就以 Nd:GdVO₄為增益介質，來討論使用兩種不同腔體（two-mirror & three-mirror）

的優缺點。

藉此實驗方法，我們雖未得到較高的功率，但卻成功得提高了腔內光參數振 盪器的穩定性。

因此，在這一章節裡，我們研究重點放在過雷射二極體激發被動式 Q 開關 Nd:GdVO4/KTP/Cr⁴⁺:YAG 腔內光參數振盪器人眼安全雷射系統。並討論使用兩

種不同腔體所得的實驗結果差異。研究結果發現，使用 two-mirror，雖然平均輸 出功率小於 three-mirror，但是由於其有鎖模(mode-locking)的現象，所以其峰值 功率幾乎可以跟 three-mirror 相當了。因此，使用 two-mirror 架構，雖然會稍微 犧牲一點平均輸出功率，但卻能得到幾乎相當的峰值功率，尤其對於增加腔體的 穩定度以及降低晶體損害率有非常大的貢獻。

z [實驗架構]

延續 5.1 的架構，在 5.2 我們將使用不同的前鏡以及 KTP，來做腔內光學參 數振盪器的腔體研究。此部分，我們所針對的都是 Nd: GdVO₄晶體。

首先，我們先建構所謂的部分重疊的腔（three-mirror），如圖 5.2-1。我們將 前鏡規格換成曲率 5 公分的凹面鏡，並在雷射二極體入射到前鏡的那一面上鍍上 808nm 抗反射膜(R<0.2%)，另一面則鍍上對 808nm 波長高穿透膜(T>95%)以及對 1064nm 以及 1573nm 波長的高反射膜(R>99.8%)。OPO 腔體主要由鍍膜的 KTP、

以及鍍膜的 Cr⁴⁺:YAG 晶體組成。其餘的規格，都如同 5.1。整體的雷射腔體長度 大約是 59mm，OPO 腔體長度大約 25mm，將之代入後面的理論分析，可發現這 樣的腔體長度，在光模與激發光源之間提供了很適當的模態匹配，且在飽和吸收 體上也能得到適當的光斑大小。

另一種腔體，我們稱之為完全重疊（shared）的腔（two-mirror），如圖 5.2-2。

其不同處在於使用的 KTP 不同。在 two-mirror 內所使用的 KTP 為 20mm 長，同 樣屬於延著 x 軸(θ=90⁰，φ=0⁰)的第二纇型非臨界相位匹配構造，此晶體有最大 的有效非線性係數，且在激發光、訊號光、閒滯光之間沒有走離現象。在 KTP 兩面同時鍍上 1573nm 以及 1064nm 波長的抗反射膜。因此，在 two-mirror 結構 下， OPO 腔體主要就由鍍膜的前鏡、以及鍍膜的 Cr⁴⁺:YAG 晶體組成。所以，

OPO 腔體也跟雷射腔體完全重疊了。整體的雷射腔體以及 OPO 腔體長度大約都 是 59mm。

z [實驗結果]

圖 5.2-3 顯示出，分別使用 two-mirror 以及 three-mirror 兩種不同腔體，所個 別得到在 1571nm 波長的平均輸出功率與輸入功率的關係圖。在輸入功率 15W 的時候，使用我們以往的架構，也就是 three-mirror 的架構，可得到平均輸出功 率約 1.2W，使用新的腔體 two-mirror 架構，卻只能得到約 0.7W 的輸出。從雷射 二極體輸入功率到 OPO 訊號光的輸出功率轉換效率個別約為 8%以及 4.7%。另 一方面，激發光(1064nm)以及訊號光(1571nm)的脈衝波暫態行為，可用快速鍺質 光二極體經由 LeCroy 9326 數位示波器(500MHz 頻寬)來紀錄，其脈衝與脈衝間 的振盪幅度大約為

± 10 %

。

圖 5.2-3 以及圖 5.2-4 描述了訊號光(1571nm)脈衝波的重複率以及脈衝能量 對輸入功率的關係圖。由圖可以看出，脈衝重複率約正比於輸入的功率，直到輸 入功率約 12W 時，其重複率可達至飽和。分別使用 three-mirror 以及 two-mirror 架構，其重複率的飽和值個別約為 46kHz 以及 17kHz。另一方面，使用 three-mirror 架構，一開始的脈衝能量約正比於輸入功率，而在輸入功率大於 11W 時，脈衝 能量會達到飽和，脈衝能量的飽和現象說明了良好的被動式 Q 開關條件已經達 到了(請參閱本論文第二章討論)；但，two-mirror 架構，其脈衝能量同樣正比於 輸入功率，卻未達飽和現象。另一方面，我們得知使用兩種不同的架構 three-mirror 以及 two-mirror，由圖 IP 曲線，發現使用兩者不同架構其輸出功率差不多，但由 圖 5.2-5，同樣在輸入功率 15W，可發現使用 two-mirror 架構的脈衝能量(33μJ) 遠高於使用 three-mirror 架構的脈衝能量(22μJ)。

示波器紀錄的激發光以及訊號光的脈衝波形，如圖 5.2-6。使用 two-mirror 架構的時候，其脈衝寬度約為 2.19ns，其脈衝功率可以達至 16kW；而使 用 three-mirror 架構的時候，其脈衝寬度更可以小至 600~700ns，其脈衝功率更 可以達至 20kW 以上。

z 關於鎖模峰值功率的計算

我們將 two-mirror 在示波器上所量得的脈衝暫態行為取出，由於其圖形的振 幅是相對的振幅，為求得絕對的高度(即為我們想要得知道的峰值功率)，於是我 們利用電腦軟體將圖形下的面積積出來與實驗所得脈衝能量比較得到一個比 值，再將圖形的乘上此比值，即可求得我們要的峰值功率。結果見圖

5.2-7。利 用 fitting 求得的峰值功率約為 19.4kW，比實驗所得的 16kW 還大，故 two-mirror 造成的鎖模現象果然將峰值功率提高了。 Repetition Rate (kW)

(kHz) Repetition Rate (kW)

(kHz)

由於 two-mirror 的腔體，將原本鍍在非線性晶體上對訊號光波長的高反射 膜，移到前鏡上。此時，對於晶體可承受的光學損害(optical damage)閥值就升高 了，如此一來就降低了晶體損害的機率。

2.增加腔體的穩定度：

由於在 two-mirror 下，雷射腔體與光學參數振盪器的腔體完全重合，因此我 們可以不用考慮到雷射模態與訊號光模態的重疊(overlap)問題。另外，調整非線 性晶體的角度時，由於雷射腔體與光學參數的腔體鎖在前鏡與輸出耦合鏡之間，

故腔體的穩定度不會受其影響。

3.關於 two-mirror 的產生鎖模的原由：

Gain medium KTP

Cr:YAG

l₁ l₂

l

Three-mirror Æcoupled cavity

Gain medium KTP

Cr:YAG

l

Two-mirror Æshared cavity

要產生縱模的條件，對於 three-mirror 的架構而言，其自由空間範圍(free space range)需同時滿足的條件

l C

2 、

2l

1

C 、

2l

2

C ，故縱模的形成是不容易的；另一方面，

對於 two-mirror 而言，其自由空間範圍(free space range)只需滿足

l C

2 ，故很容易 形成 mode-locking 的現象。

圖 5.2-1 three-mirror 實驗架構圖，使用針對 1571nm 波長 HR/HR 鍍膜的 KTP，討論二極體雷 射激發被動式 Q 開關 Nd:GdVO₄/Cr:YAG，以產生腔內 OPO 的相關實驗研究。

圖 5.2-2 two-mirror 實驗架構圖，使用針對 1571nm 波長 AR/AR 鍍膜的 KTP，討論二極體雷 射激發被動式 Q 開關 Nd:GdVO₄/Cr:YAG，以產生腔內 OPO 的相關實驗研究。

Incident pum p pow er (W )

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Average output power at singal wavelength (W)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

two-m irror three-mirror

圖 5.2-3 分別使用 two-mirror 以及 three-mirror 兩種不同腔體，所個別得到在 1571nm 波長的平均 輸出功率與輸入功率的關係圖。

Coupling lens

LaLasseerr && OPO ccaavviittyy ~~ 66ccmm 808nm 2:1

LD

Cr:YAG

Nd:GdVO4 KTP

Coupling lens

LLaasseerr ccaavviittyy ~~ 66ccmm 808nm 2:1

LD OPO ccaavviittyy Cr:YAG

Nd:GdVO4 KTP

Incident pump power (W)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Repetition rate (kHz)

0 10 20 30 40 50

two-mirror three-mirror

圖 5.2-4 分別使用 two-mirror 以及 three-mirror 兩種不同腔體，所個別得到在 1573nm 以及 1571nm 波長的脈衝重複率與輸入功率的關係圖。

Incident pump power (W)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Pulse energy (µJ)

10 15 20 25 30 35

40 two-mirror

three-mirror

圖 5.2-5 分別使用 two-mirror 以及 three-mirror 兩種不同腔體，所個別得到在 1571nm 波長的脈 衝功率與輸入功率的關係圖。

圖 5.2-6 使用 Nd: GdVO4當增益介質，所得到的激發光以及訊號光的輸出波形，此圖為激發輸入 功率小於 10W 所取得的圖型。

1064nm

1573nm

5.743ns

0.726ns (a)Three-mirror

1064nm

1573nm

4.33ns

2.19ns

(b)Two-mirror

0 0.8 1.6 2.4 3.2 4 4.8 5.6 6.4 7.2 8 0

1333.33 2666.67 4000 5333.33 6666.67 8000 9333.33 1.07 .10⁴

1.2 .10⁴ 1.33 .10⁴ 1.47 .10⁴ 1.6 .10⁴ 1.73 .10⁴ 1.87 .10⁴ 2 .10⁴

RPP

X

Peak power is about 19.4kW

圖 5.2-7 利用圖形的 fitting，找出鎖模實際上的峰值功率。

在文檔中 腔內被動式Q開關之光學參數振盪器研究 (頁 71-80)