第三章 連續波雷射(CW laser)
3.3 結論
為了有效激發晶體，我們量測了 b-cut Nd:YAP 晶體的吸收光譜與 螢光光譜。Nd:YAP 晶體的吸收光譜中有一 803 nm 波長。Nd:YAP 晶體在 4F3/2-4I11/2中耀遷，螢光光譜會有 1064.5,1072.9,1079.5,1084.5 nm 四條較強的光譜線。雷射系統在無偏振情況下會激發出 1079.5 nm 的 C 軸偏振雷射，是因為 1079.5 nm 波長在螢光光譜中為最強的螢光。
我們利用轉動 etalon 角度產生單波長與多重波長的螢光光譜，輸出波 長順序為 1080→[1080,1084]→[1073,1080,1084]→[1073,1080]→1073 nm。波長可選即是利用旋轉 etalon 角度，慢慢增加 etalon 的法線與 光軸的夾角，輸出波長即會往短波長方向移動。我們探討了 1073,1080 及 1084 nm 波長的可選性，以及另用電腦模擬波長可選性來解釋 etalon 理論，圖 3-14 所示。etalon 理論說明了螢光光譜中最大穿透率 的波長會因為增加腔體中 etalon 與光軸法線的夾角,螢光波長會慢慢 往短波長方向移動。因此我們可以利用調整 etalon 與光軸法線的角度 來選擇特定的雷射波長。
12
圖 3-1 連續波雷射(CW laser)實驗架構圖。
Output coupler
Input mirror Laser diode
Nd:YAP
Coupling lens
13
Wavelength (nm)
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Sp ec tr al in te n si ty ( a.u .)
0.0
Input Power (W)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
O u tpu t Po w er ( W )
0
14
圖 3-3 波長可選的連續波雷射(CW laser)實驗架構圖。
Output coupler
Etalon
Input mirror
Coupling lens Laser diode
Nd:YAP
15
Wavelength (nm)
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Spe ct ral in te ns it y ( a.u.)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
圖 3-4 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 94%
設置下，輸入功率為 15.4 W 時增 etalon 法線與光路夾角激發出 1080 與 1084 nm 雙波長雷射輸出的光譜圖。
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Wavelength (nm)
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Spe ct ral in te ns it y ( a.u.)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
圖 3-5 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 94%
設置下，輸入功率為 15.4 W 時增 etalon 法線與光路夾角激發出 1073、
1080、1084 nm 雙波長雷射輸出的光譜圖。
17
圖 3-6 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 94%
設置下，輸入功率為 15.4 W 時增 etalon 法線與光路夾角激發出 1073、1080 nm 雙波長雷射輸出的光譜圖。
Wavelength (nm)
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Spe ct ral in te ns it y ( a.u.)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
18
Wavelength (nm)
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Sp ec tr al in te n si ty ( a.u .)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
圖 3-7 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 94%
設置下，輸入功率為 15.4 W 時增 etalon 法線與光路夾角激發出 1073 nm 雙波長雷射輸出的光譜圖。
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Wavelength (nm)
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Spe ct ral in te ns it y ( a.u.)
0.0
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Sp ec tr al in te n si ty ( a.u .)
0.0
20
Wavelength (nm)
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Spe ct ral in te ns it y ( a.u.)
0.0
1070 1073 1076 1079 1082 1085 1088
Sp ec tr al in te n si ty ( a.u .)
0.0
21
Incident pump power at 803 nm (W)
0 2 4 6 8 10 12 14 16
Output powe r (W)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
1080 nm 1073 nm 1084 nm
圖 3-10 Nd:YAP 輸出單波長 1073 nm、1080 nm、1084 nm 單波長 I-P 曲線示意圖。
22
表 3-1 1073 nm、1080 nm、1084 nm 單波長雷射輸出比較表。
波長
1073 nm
(with etalon)
1080 nm (no etalon)
1084 nm (with etalon)
閾值 1 W 0.6 W 2.2 W
輸入功率 15.4 W 15.4 W 4.5 W
最大輸出功率 5.2 W 6.9 W 0.57 W
斜效率 35.8% 46.7% 24.8%
光轉換效率 33.5% 44.8% 12.7%
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Wavelength (nm)
1078.0 1078.5 1079.0 1079.5 1080.0 1080.5
Int en si ty ( a.u .)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.2 0.17
o 0.52
o 1.03
o 7.68
o 8.65
o 9.17
o圖 3-11 輸入功率 15.4 W、Nd:YAP 輸出單波長 1080 nm 可調動示意圖。
24
Wavelength (nm)
1072.6 1072.9 1073.2 1073.5 1073.8 1074.1
Int en si ty ( a.u .)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.2 9.85
o 10.37
o 10.83
o 11.52
o 11.86
o 12.31
o圖 3-12 輸入功率 15.4 W、Nd:YAP 輸出單波長 1073 nm 可調動示意圖。
25
Wavelength (nm)
1083.7 1083.9 1084.1 1084.3 1084.5 1084.7
Intensity (a. u.)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
1.2 8.82
o 8.94
o 9.05
o圖 3-13 輸入功率 4.56 W、Nd:YAP 輸出單波長 1084 nm 可調動 示意圖。
26
Wavelength (nm)
1070 1075 1080 1085 1090
Transm it tance
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
= 0 degree
= 2.29 degree
= 4.58 degree
圖 3-14 Mathcad 軟體模擬法布里珀羅理論示意圖。
27
第四章 被動式 Q 開關連續波雷射 (PQS laser)
4.1 Q 開關簡介
利用外加的 Q 開關(Q-switch)，調製雷射共振腔的 Q 值，提高 共振腔的儲存能量，並將累積的所有能量於極短的時間內(約幾奈 秒)全部釋放，產生高峰值的脈衝輸出 Q 值指的是雷射共振腔的品 質因子，定義為：
Q=共振腔儲存之能量/共振腔單位時間內耗損之能量 (4-1)
當 Q 開關 OFF，Q 開關以阻擋或吸收的方式使自發輻射光子在 共振腔內無法來回震盪，此時共振腔屬於高損耗狀態(high loss)，Q 值下降(Low-Q)。此情況下，自發輻射光子因無法在共振腔內來回共 振放大而沒有雷射輸出；然而，激發光源輸入增益介質的能量卻持 續累積，共振腔內的增益隨著激發光源輸入的增加而提高，直到 Q 開關切換或無法吸收時，就會迅速開啟(ON)以提高 Q 值(High-Q)，
讓共振腔回復到低耗損狀態(low loss)。此時，自發輻射光子經由輸 出鏡耦合(O.C)的反射於共振腔內來回共振，由於腔內的增益遠大於 損耗，因此，自發輻射光子以極快的速度放大，並於極短時間內(約 幾奈秒)將所累積的能量全部釋放，產生一高峰值的雷射脈衝(參照 圖 4-1)。
28
4.1.1 Q 開關的種類
Q 開關的種類依其控制方式可分為主動式(Active Q-switch)與被 動式(Passive Q-switch)兩種：
1.主動式 Q 開關：可藉由外部機制控制開關的重複率。目前主要的 機制有：機械式 Q 開關(Mechanical Q-switch)、電光式 Q 開關 (Electro-optic Q-switch)、聲光式 Q 開關(Acousto-optic Q-switch)等 (參照圖 4-2)。
2.被動式 Q 開關：開關的重複率決定於材料特性，無法藉由外部機 制控制。早期使用染料(dye)作為飽和吸收體(saturable absorber)，但 其除了有易變質、具有毒性、需經常更換…等缺點，有機染料更對 UV 光敏感，造成使用上的困擾。近年來，染料已被固態晶體所取代(如 Cr
4+
:YAG、參照圖 4-3)。
表 4-1 為各種 Q 開關技術優劣的比較。
29
4.1.2 主動式 Q 開關動作機制
主動式 Q 開關主要有三種類型：機械式 Q 開關(Mechanical Q-switch)、電光式 Q 開關(Electro-optic Q-switch)、聲光式 Q 開關 (Acousto-optic Q-switch)。
1.機械式 Q 開關(Mechanical Q-switch)：使用高轉速馬達轉動菱鏡以 達到高重複率的脈衝輸出。其優點是成本低廉、構造簡單；缺點是 馬達壽命短、開關速度緩慢、雷射穩定性差。
2.電光式 Q 開關(Electro-optic Q-switch)：於共振腔內置入電光晶體 與偏振片，藉由控制輸入電光晶體的電壓，改變入射光的偏振方向，
造成共振腔內損耗，達到啟閉 Q 開關的作用。其優點是：反應速度 快、適用於高增益的連續波雷射與高尖峰功率的脈衝雷射；缺點是：
易潮解、價格昂貴、損壞閾值低。
3.聲光式 Q 開關(Acousto-optic Q-switch)：於共振腔內置入聲光晶 體，藉由控制輸入的射頻(RF，Radio Frequency)，對該聲光晶體產 生壓力波變化，當入射光通過該聲光晶體時，會因射頻輸入的不同，
而產生不同的繞射現象。其作用有如一個光學的相位光柵，當入射 光進入此光柵，大部份會因繞射而偏離原本方向，形成布拉格散射 (Bragg scattering)的效果。其優點是：高損壞閾值、關閉 Q 開關時 損耗低、關閉 RF 訊號即可轉換成連續波雷射；缺點是：僅適用於 低增益雷射。
30
4.1.3 被動式 Q 開關作動機制
被動式 Q 開關使用「飽和吸收體」(saturable absorber)作為控制 Q 開關的材料，開關的重複率決定於材料特性，無法藉由外部機制 控制。飽和吸收體的穿透率會隨著入射光能量的增強而增加(參照 圖 4-4)，當入射光能量不大時，飽和吸收體的穿透率較低，亦即會 將大部分的入射光吸收，此時 Q 開關 OFF；隨著入射光能量增強 時，飽和吸收體的穿透率亦隨之增加，當共振腔內的增益等於損耗 時，飽和吸收體的穿透率增大至無法吸收入射光，Q 開關即切換至 ON，此時，自發輻射光子在共振腔內以極快的速度來回共振放大，
並於極短的時間內將累積的能量釋放出來，形成一高峰值的雷射脈 衝(參照圖 4-5)。飽和吸收體的優點是：成本低廉、使用簡單、體 積小(雷射架構精巧)、高損傷閾值；缺點是：無法控制脈衝重複率、
時序擾動問題(jitter)較嚴重。能當作被動式 Q 開關材料，至少須具 備以下要件：
-基態能階的吸收能力強(亦即基態能階的吸收截面積 σgs大) -上能階的生命週期長(易達到居量反轉)
-基態能階的吸收截面積(σgs)>上能階的吸收截面積(σes)
31
32
然而，只要是介質，就一定會造成損耗，飽和吸收體亦不例外。
無論初始穿透率(T0)多高的飽和吸收體，就算是切換至 ON(完全透 明狀態)，仍造成腔內最基本的能量損耗，此一損耗稱為殘餘吸收 (residual absorption)，原因主要來自於兩方面：
-基態能階的電子分布密度。當 Q 開關處於 ON(High-Q)時，基態能 階尚有電子存在，並吸收能量躍遷至激發態能階。
-激發態能階的電子吸收能量後，往更高能階躍遷，此現象即是 Excited-State absorption(ESA)。
33
4.2 實驗架構
激發光源：803 nm 雷射二極體
激發方式：連續波激發 / 脈衝式激發(Duty≈42%) 光纖直徑：600 µm
耦合鏡(Coupling lens)：f=25 mm/1:1
增益介質：Nd:YAP/b-cut/1%/直徑為 3.7 mm/晶體長度為 5.85 mm 被動式 Q 開關：Cr4+:YAG 固態晶體(初始穿透率 T0=90%)
光學共振腔：腔長 65 mm(連續波激發)、腔長 70 mm (脈衝式激發) 前鏡(Input mirror)：曲率為 500 mm
輸出耦合鏡(Output Coupler)：反射率為 90%，圖 4-6 所示
34
必須縮短，而且很容易出現高階橫模(High order transverse mode)，由於高階橫模的出現所以會伴隨著寄生脈衝的產生，因此，我們找
35
36
稍微增加。
4.4 結論
Nd:YAP 晶體的熱透鏡效應很明顯，當操作在被動式 Q 開關的 運作且高輸入功率之下，穩定的腔長會被迫縮短，而且很容易產生 高階橫模伴隨著寄生脈衝的產生。因此，在連續波激發模式下，若 要消弭高階橫模與寄生脈衝，輸入功率最大上限約為 11.9 W。在 連續波激發模式下，獲得的最大脈衝能量為 145.5 μJ，其輸出脈衝 的週期標準差隨著輸入功率增加而明顯減少，當輸入功率從 5.7 W 增加至 11.9 W，輸出脈衝的週期標準差從 7.7 μs 降低至 2 μs。
當我們將激發模式改為脈衝波激發，因為熱透鏡效應降低，使 得穩定共振腔的長度增加，導致寄生脈衝的產生，因此我們將腔長 從原本的 65 mm 增加至 70 mm。在脈衝波激發模式下，不管是脈 衝寬度、脈衝能量、尖峰功率的表現上，就數值而言，都比連續波 激發模式下的結果高；唯獨週期標準差比整體而言比較低而且隨著 重複率的變動不大，週期標準差大約落在 1~2 μs 之間。因此，在 脈衝波激發模式下，能夠降低週期標準差，尤其是在低重複率的情 況下更為明顯。
37
圖 4-1 Q 開關動作示意圖。
38
圖 4-2 主動式 Q 開關示意圖。
Laser crystal
Output coupler Input mirror
Q switch
39
圖 4-3 被動式 Q 開關示意圖。
Laser crystal
Output coupler Input mirror
Saturable absorber
40
41
0.5 0.7 0.9 穿透率
單位面積的能量/單位面積的飽和能量 (E/Es)
0.01 0.1 1 10 100
圖 4-4 飽和吸收體穿透率與入射光能量關係圖。
42
圖 4-5 被動式 Q 開關雷射脈衝產生示意圖。
累積能量
loss
t
雷射輸出gain
43
圖 4-6 被動式 Q 開關雷射實驗架構。
Output coupler Input mirror
Laser diode
Nd:YAP
Cr
4+:YAG
Coupling lens
44
Input power (W)
4 6 8 10 12 14
Output pow er (W )
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
圖 4-7 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 90%設置下，
輸入功率為 11.9 W 時的被動式 Q 開關雷射輸出表現示意圖。
45
Input power (W)
5 6 7 8 9 10 11 12 13
Ra pe tition ra te (K Hz )
4 6 8 10 12 14 16 18
圖 4-8 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 90%設置下，
輸入功率為 11.9 W 時的被動式 Q 開關雷射脈衝重複率示意圖。
46
Input power (W)
5 6 7 8 9 10 11 12 13
Pulse width (ns )
18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 21.0 21.5
圖 4-9 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 90%設置下，
輸入功率為 11.9 W 時的被動式 Q 開關雷射脈衝寬度示意圖。
47
Input power (W)
5 6 7 8 9 10 11 12 13
Pu lse ene rgy ( J)
60 80 100 120 140 160
圖 4-10 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 90%設置下，
輸入功率為 11.9 W 時的被動式 Q 開關雷射脈衝能量示意圖。
48
Input power (W)
5 6 7 8 9 10 11 12 13
Pea k powe r (W )
3 4 5 6 7 8
圖 4-11 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 90%設置下，
輸入功率為 11.9 W 時的被動式 Q 開關雷射尖峰功率示意圖。
49
圖 4-12 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 90%設置下，
輸入功率為 11.9 W 時的被動式 Q 開關雷射在 100 ns、200 ns、10 ns 穩定性 示意圖。
50
圖 4-13 被動式 Q 開關雷射與脈衝激發源被動式雷射的重覆率與週期標準差 表現示意圖。
Repetition rate (kHz)
4 6 8 10 12 14 16
St andard d eviatio n o f perio d ( s)
0 2 4 6 8 10
Continuous wave pumping
Pulse pumping
51
圖 4-14 被動式 Q 開關雷射與脈衝激發源被動式雷射的重覆率與脈衝寬度 表現示意圖。
Repetition rate (kHz)
4 6 8 10 12 14 16
Pulse width (ns)
18 19 20 21 22 23 24 25
Continuous wave pumping
Pulse pumping
52
圖 4-15 被動式 Q 開關雷射與脈衝激發源被動式雷射的重覆率與脈衝能量 表現示意圖。
Repetition rate (kHz)
4 6 8 10 12 14 16
Pu lse energy ( J)
60 80 100 120 140 160 180
Continuous wave pumping
Pulse pumping
53
圖 4-16 被動式 Q 開關雷射與脈衝激發源被動式雷射的重覆率與尖峰功率 表現示意圖。
Repetition rate (kHz)
4 6 8 10 12 14 16
Pea k powe r (KW )
3 4 5 6 7 8 9
Continuous wave pumping
Pulse pumping
54
圖 4-17 0˚-wedged Nd:YAP，前鏡曲率 50 cm，耦合輸出鏡反射率 90%設置下
，輸入功率為 11.9 W 時的被動式 Q 開關雷射在與脈衝激發源被動式 Q 開關 雷射在 100 ns、200 ns、10 ns 穩定性示意圖。