第三章 Yb:YAG 環形雷射
3.2 雷射效率提升
3.2.1 溫度影響
由於Yb:YAG 屬於準三能階雷射，其雷射下能階與基態能階很接 近，能階差只有0.0975 eV。當雷射處於操作狀態時，下能階的電子 會吸收共振腔內 1030 nm 的光子而躍遷至上能階，造成重複吸收損 耗，因此當溫度升高時，雷射的居量反轉數就會降低，因此重複吸收 損耗是影響雷射輸出功的重要因素，圖
3.2
為重複吸收損耗示意圖，當準三能階雷射增益介質的散熱不佳，或是幫浦功率提高時，重複吸 收損耗便會更加嚴重，因此我們必須設計一個效率佳的散熱結構。
Yb:YAG
1030 nm
I/C O/C
d Ti: sapphire
laser
聚焦透鏡 f=75 mm
線偏振片半波片
圖 3.2 重複吸收損耗示意圖
在我們的環形共振腔中，我們將Yb:YAG 固定在紅銅製的晶體座 上，晶體座的前端夾住Yb:YAG，並利用紅銅本身極佳的熱傳導率，
將 Yb:YAG 的熱量帶出，晶體座後端與 TE-cooler 的冷端接觸，並在 TE-cooler 的熱端接上鰭狀散熱片將熱量散出，
圖 3.3
為 TE-cooler 冷 端與熱端的示意圖，圖3.4
為TE-cooler 的工作原理，利用一組 P、N 型半導體作為基本單位，當加入一直流電源後，對 P 型半導體而言，是由電洞將熱量從上端帶到下端，對 N 型半導體來說，由電子將熱 量從上端帶到下端造成上下端溫差，形成冷熱端[19]。如圖
3.2
，冷熱 端分別由兩片陶瓷片所組成，陶瓷片是不具導電性且傳熱性良的材 料，其中冷端接觸Yb:YAG 晶體座，熱端利用鰭狀散熱片及風扇將熱 量散出，表3.1
為實驗用之TE-cooler 之規格表，其中，Imax表示最大 輸入電流；Vmax表示當輸入最大電流時的工作電壓；ΔTmax為TE-cooler 沒有熱負載時(Q=0)，冷端與熱端的最大溫差，Qmax為當 ΔT=0 時，模組可承受最大的幫浦熱量。
△E≒ 0.1 eV 重複吸收損耗
基態能階 1030 nm
Upper laser level 10327 cm-1
Lower laser level 612 cm-1
圖3.3 TE-cooler 之結構[19]
圖 3.4 TE-cooler 工作原理[20]
表 3.1 實驗用之 TE-cooler 之規格表
TH = 25°C Dimensions (mm) Catalog Number Imax
(Amps) Qmax
(Watts) Vmax
(Volts) ΔTmax
(°C) CP 1.0-127-08L 2.5 21.4 15.40 67
30x30x4
我們利用 Ti:sapphire 雷射量測 20-at.% doped Yb:YAG 的吸收頻 譜，所量測得的吸收頻譜如圖
3.5，溫度計的感應器是貼在晶體座的
前端距離Yb:YAG 約 1 cm 的位置，我們利用改變 TE-cooler 的電流來 控制溫度，分別量測 Yb:YAG 在 10oC 與 20oC 的吸收頻譜，由圖3.4
可以看出有兩個吸收峰值，分別在 941 nm 和 969 nm，在接近室溫的 時候，兩個波長的吸收係數相當接近，而且在10o時，吸受係數都比 在室溫附近來的高，雖然我們使用的 Yb:YAG 在 10o時對 969 nm 波 長的光吸收略高於941 nm，但是由於 969 nm 在低溫時吸收頻寬相當 窄，因此我們還是選擇941 nm 作為我們的幫浦光源波長。0 5 10 15 20 25 30
920 925 930 935 940 945 950 955 960 965 970 975 Wavelength (nm)
Absorption coefficient (cm -1 )
圖3.5 20-at.% doped Yb:YAG 吸收頻譜 10oC 20oC
圖 3.6 為 Yb:YAG 環形雷射的斜率效率及幫浦閥值與溫度的關
Temperature (oC)
Slope efficiency (%)
390
由 上 述 實 驗 結 果 ， 包 括 吸 收 頻 譜 的 量 測 ， 以 及 改 變 溫 度 對 Yb:YAG 環形雷射表現的影響，我們可以知道，影響雷射表現最重要 的因素在於散熱系統，雖然我們可以持續加大 TE-cooler 的電流使溫 度繼續降低，但會造成水氣凝結在銅製散熱座上，我們擔心水氣會破 壞 Yb:YAG 晶體上的光學鍍膜，因此實驗時都將銅座溫度控制在 10oC，我們嘗試改善我們的晶體散熱座設計，圖
3.7
是我們舊式的晶 體散熱座，而圖3.8
則是改過設計的新式晶體散熱座，整個散熱座的 熱源便是在尖端吸收幫浦光的Yb:YAG 晶體，我們試著改進的一點便 是讓熱端接近散熱器，比較圖3.7
與圖3.8，可以發現熱端與散熱座
的距離，由原本的50 mm 縮短為 20 mm，我們並試著加大銅座的面 積，因此將新式的散熱座設計成只有在我們共振腔內的部份是細的，將後端改成梯形形狀加大銅座面積，在改善散熱座後，實驗結果顯示 雷射效率有明顯的提升，而最後的實驗結果會在本章的
3.4 節呈現。
圖3.7 舊式晶體座的詳細規格
圖3.8 新式晶體座的詳細規格 單位：mm
單位：mm