1.1 背景與動機
從最早的光學非線性現象說起，Franken 等人在 1961 年以高能量紅寶 石雷射泵浦石英中發現倍頻現象[1]，隔年 Bloembergen 和 Armstrong 等人 隨即發表非線性頻率轉換的概念。非線性頻率轉換包含各類頻率疊加的過 程，例如倍頻(Second Harmonic Generation, SHG)、和頻(Sum Frequency Generation, SFG)以及差頻(Difference Frequency Generation, DFG)等型 式，可用於波長轉換之輸出。倍頻、和頻主要應用在產生200 nm ~ 780 nm 之紅、藍、綠光以及UV 雷射，可作為雷射顯示技術之光源或微機械加工等 等 ； 而 差 頻 其 中 一 個 的 主 要 應 用 是 光 參 振 盪 器(Optical Parametric Oscillator, OPO)，提供具有波長可調特性的雷射。
光在非線性過程的轉換效率受晶體的色散現象所影響，能量的轉換一 直到Bloembergen 等人於 1962 年提出準相位匹配(Quasi-Phase Matching, QPM)觀念[2]，才有比較好的轉換效率。1992 年 M. M. Fejer 等人則以人為 加工的方式，於晶體中製作一倒晶格光柵向量，補償因色散造成的動量不 守恆，達成高效率的非線性轉換[3]。1998 年，二維週期性極化反轉的非線
性光子晶體(nonlinear photonic crystal) 由 V. Berger 提出[4]，此概念可用 以達成二維準相位匹配。與一維週期性極化反轉結構比較，二維週期性極 化反轉結構可達成較多波長的準相位匹配，透過適當的週期調制，可使準 相位匹配之輸出波長近乎連續而達到寬頻準相位匹配的效果。
晶體的準相位匹配的觀念被提出之後，利用週期極化反轉所製作成的 非線性晶體，可達成高效率的非線性轉換，拓展了非線性光學晶體的應用 範圍。而在實驗室中，自行架設的光參振盪器所產生的近、中紅外光波段 光源，可以廣泛應用於環境監控、醫療、遠距離量測[5]及光譜學等各種領 域。
本 篇 論 文 之 目 的 ， 第 一 是 利 用 模 擬 設 計 週 期 性 極 化 反 轉 鉭 酸 鋰 (Periodically Poled Congruent Lithium Tantalate, PPCLT)晶體建立一多倍 頻、和頻系統；同一塊晶體採用多段式設計，以產生能量大小相近的諧波，
其特性以及量測實驗結果會在後面一一做介紹與討論；第二為分析光參振 盪器，利用週期性極化反轉-摻氧化鎂-化學計量比-鉭酸鋰(Periodically Poled MgO doped Stoichiometric Lithium Tantalate, PPMgSLT)晶體，藉由
1.2 鉭酸鋰晶體介紹
在晶體內的原子，由於不同的堆疊結構，使得正負電荷產生相對位移，
形成電偶極矩(electric dipole moment)，讓晶體在無外加電場時就具有自發 性極化(spontaneous polarization)現象，且極化的方向可被外加電場反轉或 重新定向，稱為區域反轉，這就是鐵電(ferroelectric)材料的特性。鉭酸鋰屬 於鐵電性材料，可穿透波長範圍從 0.28 ~ 5.5 μm[6]，居禮溫度(Curie temperature)約為 874 K(congruent LT, [Li]/[Ta] = 0.942)[7]，當溫度超過居 禮溫度時自發性極化就會消失，若溫度低於居禮溫度，由於鉭離子 Ta5+與 鋰離子Li+的不對稱排列，使自發性極化現象的發生，極化之正向為+Z 軸，
此時存在電光、壓電等效應，稱為鐵電相(ferroelectric phase)，如圖 1-1 (a) 所示，但當溫度高於居禮溫度時，鉭離子與鋰離子的不對稱排列會消失，
鋰離子回復於氧三角平面上，極性亦隨之消失，這種狀態叫做順電相 (paraelectric phase)，如圖 1-1 (b)所示。
(a) (b) 圖 1-1 鉭酸鋰的晶體結構(a)鐵電相(b)順電相
我們在選擇非線性晶體時，必須選擇非線性係數較大的材料，因為直 接關係到轉換效率，還有抗光折變(photorefractive effect)能力也是我們必 須所考慮因素之一。考量以上條件，選擇以共融組成鉭酸鋰(Congruent Lithium Tantalate, CLT)做為非線性頻率轉換之晶體。雖然近年來，等化學 計量比-鉭酸鋰(Stoichiometric Lithium Tantalate, SLT)以及摻氧化鎂-等化 學計量比-鉭酸鋰，已被成功地生長出來，兩者皆具有較好的抗光折變效應 (anti-photorefractive effect) 及 較 高 的 抗 損 害 閥 值 (anti-damage threshold)，但其價格昂貴許多。