系統架構

圖4.3-1 準相位匹配 532nm 綠光泵浦鉭酸鋰光參振盪器實驗架構

圖4.3-1 為 532nm 綠光泵浦鉭酸鋰光參振盪器之實驗架構圖。共振 腔前的光路已於4.1.4 小節說明，故不再贅述。

光參振盪器晶體置於連接到溫控器的載台中，透過調整晶體之溫 度，控制輸出信號光與閒置光的波長。輸入耦合鏡(Input Coupler, IC) 為對 532nm 泵浦光高穿透、對共振光高反射的平凹面鏡，而輸出耦合 鏡(Output Coupler, OC)為對泵浦光高穿透、對共振光部分反射的平凹面 鏡，而為了進一步確定平凹面鏡能降低共振時的損耗，對於 20mm 長 Filter

532nm Pump Laser PPCLT

表4.3-1 532nm 泵浦光參振盪器共振腔鏡與濾光鏡規格(兩組共振腔鏡)

Filter

平面鏡 HR 1260±55nm R≧99% @0°入射

平面鏡 HR 930±46.5nm R≧99% @0°入射

兩片長波長穿透濾波片(Long Wavelength Pass Filter, LWP 1、LWP 2)分別主要濾掉由共振腔輸出功率甚強之剩餘綠光(LWP 1)以及微小的 信號光倍頻藍光、閒置光倍頻紅光、合頻的紫外光和LWP 1 未濾乾淨 之綠光(LWP 2)。最後一片濾光鏡(Filter)，用以提取所需之共振光，如 光參振盪器為930nm 共振腔，則此濾光鏡則須濾掉閒置光，反之亦然。

以上組成一波長可調光參振盪器光源系統。

4.3.3 實驗結果與分析

6mm 週期性極化反轉鉭酸鋰晶體光參振盪器

鑒於L. E. Myers 等人於 1995 年以長度為 5.2mm 之週期性反轉鈮 酸鋰晶體完成1064nm 紅外光泵浦光參振盪器之架設²⁰，本實驗室以長 度為6mm 之週期性極化反轉鉭酸鋰晶體成功建立 532nm 綠光泵浦光參 振盪器，以930nm 共振腔做測試，圖 4.3-2 為其共振時之頻譜圖，因光 譜儀的限制，無法量得閒置光的強度與波長。圖中有許多除了信號光 波長外的峰值，其導因於共振腔共振時，因腔內泵浦光、信號光與閒 置光之能量密度相當大，造成許多微弱的非線性和頻、差頻與倍頻轉 換，經簡單的非線性頻率轉換分析，不難得知其來源。

圖4.3-2 6mm 週期性極化反轉鉭酸鋰光參振盪器共振頻譜圖

此長度為6mm 之週期性極化反轉鉭酸鋰晶體，為最先設計以測試 為前提之晶體，故輸出所需 930nm 信號光時的晶體溫度設定在較為折 衷的 100℃，週期為 7.83μm。透過調變晶體的溫度，可得此光參振盪 器的溫度調整曲線，如圖4.3-3 所示，而所量測之信號光與閒置光之波 長，與模擬設計的曲線只有些許的誤差，最有可能的誤差來源可能是 如3.1 節中提及之色列米爾公式(Sellmeier Equation)、製程光罩與流程 上的誤差，以及量測上的誤差。由圖中可看出，週期7.83μm 的鉭酸鋰 光參振盪器，信號光可調範圍為878nm ~ 994nm，閒置光可調範圍為 1144nm ~ 1350nm。

圖4.3-3 6mm 週期性極化反轉鉭酸鋰晶體光參振盪器溫度調整曲線

由於 930nm 信號光是目前最亟需開發之倍頻藍光基頻光光源，故 以信號光為此光參振盪器的共振光，共振腔腔長12mm，如圖 4.3-1 之 輸入耦合鏡使用鍍有 930nm 高反射(>99.5%)、532nm 高穿透之平凹面 鏡，而輸出耦合鏡則使用930nm 部分反射(75%)、532nm 高穿透之平凹 面鏡，詳細規格如表4.3-1。圖 4.3-4 為在晶體溫度 103℃，信號光波長 929.2nm，閒置光波長 1244.9nm 時所量測之功率斜率效率曲線(Slope Efficiency)，532nm 綠光泵浦之共振閥值約 140mW，合峰值強度約 7.7MW/cm²，差頻轉換之總功率斜率效率為40.9%，信號光之功率斜率 效率可達22.2%。

圖4.3-4 6mm 鉭酸鋰晶體光參振盪器輸出功率與泵浦功率關係圖

以上為本實驗室建立之第一座光參振盪器實驗結果，以長度為 6mm 之週期性極化反轉共融組成鉭酸鋰晶體完成，使用短腔共振腔的 方式，共振閥值與轉換效率皆已達具相似系統架構之文獻上的水準。

平面共振腔鏡與凹面共振腔鏡對共振閥值與轉換效率的影響

由此開始之光參振盪器皆使用長度為 20mm 之週期性極化反轉鉭 酸鋰晶體，晶體之設計細節如3.2 節所述。

在實驗進行之初，實驗室提供兩種共振腔鏡的選擇，一種是平面 鏡，一種是具50mm 曲率半徑的平凹面鏡，兩種共振腔鏡各有其利弊，

但選用的標準以能發揮光參振盪器晶體的最大效益為第一考量。於是 分別以兩種型式的共振腔鏡做為光參振盪器的輸入、輸出耦合鏡，並 於對系統進行最佳化後，量測共振閥值與功率斜線效率曲線(Slope Efficiency)。

實驗上，使用的鉭酸鋰晶體極化反轉週期為7.90μm，共振 930nm 紅外光，故使用930nm 高反射腔鏡，腔長設定在最小腔長 28mm，溫

(a) (b)

圖4.3-5 930nm 共振腔光參振盪器功率斜率效率曲線比較(a)雙凹腔(b)雙平腔

度調整至71.5℃，使信號光波長落在 930nm 左右，並於最佳化系統後，

進行功率斜率效率(Slope Efficiency)量測。

圖4.3-5 為量測之結果，雙凹腔的泵浦光共振閥值為 84 mW (峰值 強度4.6MW/cm²)，而雙平腔的泵浦光共振閥值則為 76 mW (峰值強度 4.2 MW/cm²)這樣的閥值差距，幾乎可視為一樣的，因為量測時為每調 整20 mW 的泵浦光，紀錄一次輸出功率，這 8 mW 的差距仍在誤差 20 mW 之內，故以此看來，兩者在泵浦光共振閥值的比較上是差不多的。

兩者在輸出光的總功率斜線效率(Slope Efficiency)上就有所差距，

雙凹腔的總輸出效率為46.1%，而雙平腔的總輸出效率為 37.1%，很明 顯的雙平腔無法使鉭酸鋰光參振盪器晶體的效益發揮到最大，且對信 號光的共振較差，其信號光的功率斜率效率較閒置光的轉換效率少了 三個百分點。

由此實驗之結果，可以驗證4.1.5 小節的理論預測，腔長相同時，

泵浦光共振閥值不變，但因高斯光束的空間分布型態，雙凹腔會有較 佳的共振效果。

極化反轉週期7.76μm 鉭酸鋰光參振盪器系統

首先以930nm 為共振光，即使用之輸入耦合鏡為 930nm 高反射，

輸出耦合鏡為 930nm 部分反射之腔鏡使此光參振盪器產生共振。光參 振盪器使用之鉭酸鋰晶體極化反轉週期為7.76μm，溫度調整曲線如圖 4.3-6 所示，圖中曲線分佈與 3.2 節中所模擬之曲線已有一定的吻合程 度，但仍有些許的誤差，原本設計的 930nm 應該落在溫度 140℃，而 此光參振盪器之930 nm 信號光經量測後約在晶體溫度 129℃左右。然 而，這 11℃左右的差距，仍在可接受範圍，表示鉭酸鋰晶體在設計與 製作上都相當的成功。

圖4.3-6 20mm 週期性極化反轉鉭酸鋰晶體光參振盪器溫度調整曲線

轉換效率方面，使用雙凹腔的 930nm 共振腔，腔長 30mm，調整 溫度於 128.5℃，共振波長 931.3nm，共振閥值 109mW，峰值強度 6.0 MW/cm²，總功率斜率效率可達 46.3%，如圖 4.3-7 所示，信號光與閒 置光之轉換效率相當接近，幾乎各占一半。

若輸入耦合鏡為1260 nm 高反射、輸出耦合鏡為 1260 nm 部分反 射之光參振盪器，此光參振盪器為1260nm 共振腔，依 1.5 小節之定義，

原本的閒置光變為信號光。基本上，光參振盪器的溫度調整曲線與共 振腔鏡無關，只與晶體週期有關，故可得知，以相同週期7.76μm 架設 之1260nm 共振腔光參振盪器的溫度調整曲線與圖 4.3-6 是相同的。

圖4.3-7 930nm 共振腔光參振盪器泵浦光與輸出光之關係圖

1260nm 共振腔之功率斜率效率曲線如圖 4.3-8 所示，共振腔長度 31mm，調整晶體溫度於 139℃，共振信號光，其波長為 1264.3nm，共 振閥值80mW(峰值強度 4.4MW/cm²)，總轉換效率可達 46.4%。

比起930nm 共振腔，1260nm 共振腔之閒置光的功率斜率效率明顯 的較信號光高許多，這說明1260nm 共振腔對共振光的共振強度是小於 930nm 共振腔的，然而，兩者的總功率斜率效率很接近，表示兩者之 光參振盪器的最佳化程度相近。有了以上930nm 共振腔以及 1260nm

圖4.3-8 1260nm 共振腔光參振盪器泵浦光與輸出光之關係圖

共振腔之光參振盪系統，藍光、紅光的倍頻晶體便有了基頻光光源，

將此輸出光源用濾光鏡(Filter)提取後，再以透鏡聚焦打至倍頻藍光與紅

光之晶體，便可測試晶體製作品質與倍頻轉換效率。

從設計、製作到光學量測都如預期般順利，但不得不承認的是共 融組成鉭酸鋰晶體美中不足的是其抗光折變能力並沒有很好且有綠光 致紅外光吸收效應(Green-induced IR absorption, GRIIRA)。光參振盪器 以差頻的參量變異方式，透過改變溫度，調整輸出波長，但當晶體因 光折變效應而使部分折射率有了改變，造成整體折射率的不均勻，以 2.5.1 小節的式(2.5-12)可知，在相同的極化反轉週期下，當折射率改 變，差頻的出光波長也會改變，這樣的推測，可以合理的解釋使用共 融組成鉭酸鋰做為光參振盪器的增益介質時，特定中心波長的信號光 與閒置光會有較寬的頻寬。於是，鉭酸鋰光參振盪器的頻寬特性，將 是接著要介紹的重點。

週期7.76μm 鉭酸鋰光參振盪器信號光與閒置光頻寬量測

影響光參振盪器輸出信號光與閒置光頻寬的變因，推測大致可以 分為四個要點，分別為輸出波長、光折變效應或GRIIRA、共振腔的共 振狀況以及差頻的簡併。

首先，以光折變效應的特性說明可能使頻寬變寬的可能機制。鉭 酸鋰晶體的光折變效應，主要有兩個主要的來源，一為泵浦光的波長，

不同波長產生的光折變效應程度不同，而 532nm 綠光屬於非常容易使 鉭酸鋰晶體產生光折變的波長。再來就是入射功率的高低，入射功率 越大，光折變效應越明顯，甚至會使晶體產生光折變損壞(Optical Refractive Damage)。

4.3-9 930 nm、1260 nm 共振腔泵浦功率與頻寬之關係圖

光折變效應使頻寬加寬的推測，可以簡單的數學式表示。非線性

之功率斜率效率曲線卻透露出另一個很重要的訊息，就是對非共振光 的共振狀況，1260nm 共振腔對閒置光的共振強於 930nm 共振腔對閒置 光的共振。也就是說，1260nm 共振腔除了對其信號光共振外，對閒置 光也有一定的共振強度，由以上推測，相信是影響頻寬的一項重要變 因，唯其中的機制過於複雜，仍需更深入的探究。

圖4.3-10 930 nm 共振腔光參振盪器信號光頻寬與波長關係圖

圖4.3-10 930 nm 共振腔光參振盪器信號光頻寬與波長關係圖