改變不同的增益介質

由於掺銣釩酸釓(Nd:GdVO4)晶體具有很高的吸收係數以及很大的熱係數，

因此被認為是一種很好的增益介質，而目前為止，關於 Nd:GdVO₄晶體輸出波長 的研究，大多著重在 1.06、1.34、0.53、0.67µm。近來，我們做雷射二極體激發 被動式 Q 開關 Nd:YVO₄/KTP/Cr⁴⁺:YAG 腔內光參數振盪器人眼安全雷射系統 [11]，來產生 1573nm 的光，實驗結果，其脈衝寬度約為 2.5ns，脈衝功率最高可 達到 1kW。與掺銣釩酸釔(Nd:YVO₄)雷射來比較，實驗研究數據顯示，在雷射二 極體激發的固態雷射應用上，Nd:GdVO4似乎具有比較高的潛力。話雖如此，但 Nd:GdVO₄卻從未被使用在腔內光學參數振盪(IOPO)產生人眼安全雷射的實驗架 構上。

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 種不同增益介質 Nd:YVO₄以及 Nd:GdVO₄所得的實驗結果差異。研究結果發現，

使用 Nd:YVO4，在激發功率 14W、重複率 62kHZ 的實驗條件下，對於 1573nm 的波長，我們可以得到輸出功率約 1.2W，而脈衝波的脈衝寬度約 1.66ns，其脈 衝功率約可達到 16kW。而使用 Nd:GdVO4的實驗結果，在激發功率 14.5W、重 複率 46kHZ 的實驗條件下，對於 1571nm 的波長，我們可以得到輸出功率約 1.2W，而脈衝波的脈衝寬度卻可以減小至約 700ps，而脈衝功率竟也可以達到 20kW 以上。

因此，使用了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，更能達到超短脈衝( < 1ns ) 以及高脈衝功率 (>10kW)脈衝雷射的要求，這對於遙測系統以及測距儀的研究領域上，十分有貢 獻。

z [實驗架構]

被動式 Q 開關內部 OPO 雷射架構如圖 5.1-1。架構上，飽和吸收體 Cr⁴⁺:YAG 經過鍍膜處理以當作 OPO 腔體的耦合輸出鏡面，而它幾近半球體腔的構造更能 強化被動式 Q 開關的行為。

增益介質有兩種：摻雜 0.25%Nd³⁺，7-mm 長的 a 切割 Nd: YVO₄、同樣摻雜 0.25%Nd³⁺，8-mm 長的 a 切割 Nd: GdVO4，此兩種雷射晶體的兩端面都鍍上 1064nm 波長抗反射膜(R<0. 2%)。使用低濃度的 Nd 摻雜主要可用來避免熱效應 所引起的斷裂。這兩顆雷射晶體都需要裹上 In 片，並接上水冷式銅塊座，水溫 約維持在 25⁰C，使能有效散熱。激發光源是 808nm 波長 16W 的光纖耦合雷射二 極體；此光纖纖心直徑為 800μm，其數值孔徑為 0.2。聚焦鏡的焦距為 12.5mm，

從激發光到增益介質上，其耦合效率約為 92%。激發光束半徑

ω

_P350μm，用曲 率 50mm 的凹透鏡當作前鏡，並鍍上 808nm 波長抗反射膜(R<0. 2%)、對 1064nm 以及 1573nm 高反射(R>99.8%)的薄膜。注意，增益介質放置的位置要十分靠近 前鏡。

OPO 腔體主要由鍍膜的 KTP、以及鍍膜的 Cr⁴⁺:YAG 晶體組成。所使用的 KTP 為 20mm 長，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。KTP 一面鍍有 1064nm 波長高穿透(T>95%)、1573nm 波長高反射(R>99.8%) 膜，另一面鍍上 1573nm 以及 1064nm 波長抗反射膜。

Cr⁴⁺:YAG 厚度 3mm，對 1064nm 波長的初始穿透率為 80%。在 Cr⁴⁺:YAG 的 一面鍍上對 1064nm 波長高反射(R>99.8%)、以及對 1573nm 波長部分反射 (Rs=85%)的膜，另一面則鍍上對 1064nm 以及 1573nm 波長抗反射的膜。使用曲 率 5 公分凹面鏡當作前鏡，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 波長高反射膜(R>99.8%)。整體的 Nd: YVO₄ 以及 Nd: GdVO₄雷射腔體長度大約 都是 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。

z [實驗結果]

圖 5.1-2 顯示出，分別使用 Nd: YVO₄以及 Nd: GdVO₄兩種不同增益介質，

所個別得到在 1573nm 以及 1571nm 波長的平均輸出功率與輸入功率的關係圖。

可發現使用 Nd: YVO₄以及 Nd: GdVO₄兩種不同晶體當作增益介質，在輸入功率 14W 的時候，皆可以得到約 1.1W 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大約為 7.86%。另一方面，激發光(1064nm)以及訊號光 (1573nm 或者 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 5.1-3 以及圖 5.1-4 描述了訊號光(1573nm 或者 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 11W 時，其重複率可達至飽和。分別使用 Nd: YVO₄ 以及 Nd: GdVO4兩種不同晶體當作增益介質，其重複率的飽和值個別約為 62.5kHz 以及 46kHz。另一方面，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)；另一方面，我們得知 使用兩種不同的增益介質 Nd:YVO4以及 Nd:GdVO4，由 IP 曲線圖，發現使用兩 者不同增益介質其輸出功率差不多，但由圖 5.1-4，同樣在輸入功率 11W，可發 現使用 Nd:GdVO4的脈衝能量(22μJ)遠高於 Nd:YVO4的脈衝能量(16μJ)。

示波器紀錄的激發光以及訊號光的脈衝波形，如圖 5.1-5、圖 5.1-6。使用增 益介質 Nd:YVO4的時候，其脈衝寬度約為 1.66ns，其脈衝功率可以達至 13kW；

而使用 Nd:GdVO₄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。

從速率方程式的分析，良好的被動式 Q 開關條件如下

來產生腔內光參數振盪器人眼安全雷射系統，做出以下整理：

在入射功率同樣在 14W 的條件下

1.2 1.2 Output

power (W)

>20 45.5

0.7 Nd:GdVO

₄

>10 62.5

1.4 Nd:YVO

₄

PeakPower (kW) Repetition

(kHz) Rate PulseWidth

Crystal (ns)

1.2 1.2 Output

power (W)

>20 45.5

0.7 Nd:GdVO

₄

>10 62.5

1.4 Nd:YVO

₄

PeakPower (kW) Repetition

(kHz) Rate PulseWidth

Crystal (ns)

表 5.1-1 使用不同增益介質其基本輸出功率的比較

圖 5.1-1 實驗架構圖，分別使用 Nd: YVO4以及 Nd: GdVO4兩種不同增益介質，來討論二極體

雷射激發被動式 Q 開關 Nd 摻雜/Cr:YAG，以產生腔內 OPO 的相關實驗研究。

Incident pump power (W)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Average o u tput po w e r at sin g al w avelength (W)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Nd:GdVO4 Nd:YVO4

圖 5.1-2 分別使用 Nd: YVO4以及 Nd: GdVO4兩種不同增益介質，所個別得到在 1573nm 以及

1571nm 波長的平均輸出功率與輸入功率的關係圖。

Coupling lens

La L as se er r c ca av vi it ty y

808nm 2:1

LD OPO c ca av vi it ty y Cr:YAG Nd:YVO

4

&

Nd:GdVO

4

KTP

Incident pump power (W)

2 4 6 8 10 12 14 16

repetition rate (kHZ)

0 10 20 30 40 50 60 70

Nd:GdVO4 Nd:YVO4

圖 5.1-3 分別使用 Nd: YVO4以及 Nd: GdVO4兩種不同增益介質，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

Pu lse en er gy( µJ)

0 5 10 15 20 25

Nd:GdVO4 Nd:YVO4

圖 5.1-4 分別使用 Nd: YVO4以及 Nd: GdVO4兩種不同增益介質，所個別得到在 1573nm 以及

1571nm 波長的脈衝能量與輸入功率的關係圖。

圖 5.1-5 使用 Nd: YVO4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。

圖 5.1-6 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

640ps Nd:GdVO

4

1064nm

1573nm

3.41ns

1.66ns

Nd:YVO

4

圖 5.1-7 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

功率高於 10W 所取得的圖型。

在文檔中 腔內被動式Q開關之光學參數振盪器研究 (頁 62-71)