輸出鏡反射率對於1.3μm被動式Q開關雷射能量之影響

第四章實驗結果與討論

4.4 輸出鏡反射率對於1.3μm被動式Q開關雷射能量之影響

本論文的各項實驗架構中，在飽和吸收鏡之後都需要外加一輸出耦合鏡的主

＊實驗架構

實驗架構依然採用單端激發式的直線腔(如圖4-29)，與前項實驗架構類似，

搭配不同反射率的輸出耦合鏡進行研究，選擇使用的平面鏡M2 因在於：我們所使用的AlGaInAs/InP 與 InGaAsP/InP 的飽和吸收體皆為SESA 結構，沒有成長布拉格反射鏡面結構(Distribution Bragg Reflection 簡稱 DBR)，因此需要外加鍍有1342nm高反射膜的輸出耦合鏡來控制腔內能量的輸出。

回顧過去半導體飽和吸收鏡的發展過程中，所使用的半導體飽和吸收鏡 (Semiconductor Saturable Absorber Mirror 簡稱SESAM)或是半導體飽和吸收輸出鏡 (Semiconductor Saturable Absorber Mirror Output Coupler 簡稱 SESAM-OC) ，此兩種結構都必須在基材上鍍多層的布拉格反射鏡面結構 (Distribution Bragg Reflection 簡稱 DBR) 或是SBR結構，運用此技術長出多層具有一大一小不同折射率的材料，藉此來操控腔內能量的輸出，對InP為基材在面上磊InP/InGaAsP交叉成長DBR結構時，由於兩者折射率差Δn較小，SESAM 就需要成長25~30對DBR結構，SESAM-OC則需要長10對左右，在半導體的成長技術上而言比較繁複，因此我們嘗試將磷化銦(InP)基材摻雜Fe-doped離子，再鍍上 1342m波段抗反射膜，如圖4.28所示(單光儀光譜)，設計在雷射共振腔中外加一面輸出耦合鏡，取代布拉格反射鏡結構。

僅改變飽和吸收體

上鍍有1342nm 波長高反射膜，1064nm鍍高穿透膜、對激發光源(808nm)波長為高穿透，整個雷射共振腔腔長約為1.4公分；經過前面各節的討論結果，選擇以 AlGaInAs/InP 形成多層量子井結構(15× 2 Quantum Wells)作為Q-開關雷射的半導體飽和吸收體(SESA)，搭配對於1342nm反射率各為94％、96％、98％的平面透鏡；本實驗設計之目的在於研究輸出鏡上的反射率鍍膜對於1.3μm脈衝能量與雷

射閥值功率的關係，最後將討論光偵測訊號圖形上的穩定度。

＊實驗結果與討論

當我們尚未加入量子井作為Q-開關雷射之半導體飽和吸收體之前，我們可得 (CW)雷射輸出，如圖4.30 所示，實驗結果顯示反射率為94

到波長為1342nm 的連續波

%的輸出耦合鏡反射率較低，故產生雷射光的閥值較高，需要幫浦較高的輸入電流才能得到1.3μm雷射；接著我們先加入長有多層量子井結構的砷化鋁鎵銦材料(AlGaInAs/InP-15× 2 QWs)於腔內當作Q-開關雷射飽和吸收體時，我們可得到波長為1342nm 的脈衝雷射輸出，由平均輸出功率關係圖，顯示反射率94%的輸出鏡需要1.1W 的輸入功率才能產生脈衝雷射，仍具有腔內非飽和損耗較大、雷射閥值仍較高的缺點；但是在二極體雷射輸入功率為1.86W時，可以得到211mW 比反射率為96%與98%輸出鏡高，如圖4.31。紀錄三者所產生的脈衝重複率以輸出鏡反射率為98%最大，由於反射率較大達到居量反轉濃度速度快比較容易達到飽和，方能快速地將能量釋放出來故重複率較大，反之，反射率為94%與96%兩者重複率相近，約為15KHz左右，圖4.32，三者於示波器上所呈現出的時域關係，圖 4.33、圖4.34中以反射率為98%者最為穩定，96%次之。計算三者的脈衝能量與峰值功率，圖4.35、圖4.36，皆為反射率94%之輸出鏡的數值最高，可以得到14.6 μJ與 579W的實驗結果，如表4-5 所示，但是由於使用反射率94%的輸出鏡具有雷射出光臨界值較高，且脈衝雷射穩定度相對來說不若前兩者佳的缺點；又反射率為98% 輸出鏡的平均輸出能量較低，因此得到 SESA 結構搭配使用96%為最佳選擇的結論。另外，因為本實驗運用AlGaInAs搭配三面輸出耦合鏡所形成的脈衝能量都較先前的 InGaAsP飽和吸收體所得到的數值更高，如表4-5、表4-6 所整理之數據，因此可歸納出以AlGaInAs為量子井材質的飽和吸收體，搭配摻雜0.5%

Nd:YVO⁴與適當的反射率輸出鏡(R=96%)，可以成功地實現1.3μm穩定的高峰值脈衝雷射。

表 4 AlGaInAs SESA 配合不同反射率的輸出鏡，產生 1.3μm 脈衝雷射的各項特性

stablemore 530 stablemore 236 Peak Power

P. E.

Repetition Ave. Power Rate

Output Coupler

-5

stablemore 530 stablemore 236 Peak Power

P. E.

Repetition Ave. Power Rate

Output Coupler

4-6 InGaAsP SESA 配合不同反射率的輸出鏡，產生 1.3μm 脈衝雷射的各項特性

stablemore 195

stablemore 97 Peak Power

P. E.

Repetition Ave. Power

Output Coupler

@1342nm

(Reflection) (W) Rate (μJ) (ns) （W） Domain

（KHz）

stablemore 195

stablemore 97 Peak Power

P. E.

Repetition Ave. Power

Output Coupler

@1342nm

第四章圖示

900 1000 1100 1200 1300 1400

914nm 1084nm 1342nm

1073nm

M2: Output coupler Flat mirror S1: R=96% @1342nm HT@1064,T>95%

S2: AR@1342nm,1064nm M1: R=50cm

@1342nm

0.5% Nd:YVO4

AR/AR

@1342nm 3x3x7 mm³

a-cut

Cavity length

L = 14mm L = 50mm L = 100mm L = 200mm

Powermeter Oscilloscope

absorber AlGaInAs 2QWs

Beam split

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

Pumping Power(W)

CW output Power AlGaInAs-2 QW s 0.5% Nd:YVO₄ 96% output coupler

L= 14 mm L= 50 mm L=100 mm L=200 mm

圖 4.3 不同雷射共振腔長下，激發功率與 1342nm CW 雷射輸出功率關係圖

1000 1100 1200 1300 1400 1500

6000 L=1.4 cm 1.04W

1342

Intensity(a.u.)

Wavelength(nm) 1000 1100 1200 1300 1400 1500

1.04W 1342

Wavelength(nm)

Intensity(a.u.)

1000 1100 1200 1300 1400 1500

0 1000 2000 3000 4000

5000 L=10 cm

1.04W 1342

Wavelength(nm)

Intensity(a.u.)

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0

50 00 50 00 50 00 50 00 50

00 ^{477 mW}

186 mW

Pumping Power(W)

AlGaInAs-2 QWs L= 14 mm L= 50 mm L=100 mm

L=200 mm ^{460 mW}

337 mW

圖 4.5 1342nm Q-開關雷射在不同雷射共振腔長下，激發功率與平均輸出功率數據圖

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0 100 200 300 400

Pumping Power(W)

AlGaInAs-2 QWs

L= 14 mm L= 50 mm L=100 mm L=200 mm

圖 4.6 不同雷射共振腔長，激發功率與 Q 開關雷射重複率關係圖

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0

50 100 150 200 250 300 350 400

Pumping Power(W)

AlGaInAs-2 QWs L= 14 mm L= 50 mm L=100 mm L=200 mm

Pulse Width(ns)

圖 4.7 不同雷射共振腔長，激發功率與 Q 開關雷射脈衝寬度關係圖

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0 1 2 3 4 5 6

Pulse Energy (µJ)

Pumping Power(W) 1.73µJ

5.67µJ 6.17µJ

AlGaInAs-2QWs 200mm P.E.

100mm P.E.

50mm P.E.

14mm P.E.

3.37µJ

圖 4.8 1342nmQ-開關雷射在不同雷射共振腔長下，激發功率與脈衝能量數據圖

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0

5 10 15 20 25 30 35

15.6 W 29.1 W

25.7 W 32.3 W

Pumping Power(W)

AlGaInAs-2 QWs L= 14 mm L= 50 mm L=100 mm L=200 mm

Peak Power(W)

圖 4.9 在不同雷射共振腔長下，激發功率與雷射峰值功率關係圖

0 5 10 15 20 25 30

0 80 160 240 320 400

cavity length - mode size

cavity length( cm) ω2 L

( )

_i ^⋅¹⁰⁴

L_i mode −size

( )

µm

圖 4.10 在不同雷射共振腔長下，橫模尺寸大小曲線圖

圖4.11 表示當腔長為10cm，改變輸入電流產生1342nm脈衝雷射輸出之時域分佈圖

Regular, I=1.6A Regular, I=2.2A

Regular , I=2.4 A

Regular , I=2.4 A (Chaos) I=2.8 A

圖4.12 (Ⅰ)表示當腔長為 1.4cm，輸入1.04W產生1342nm波段脈衝雷射輸出的時域分佈圖

( Regular ) I=2A,P=286mW ( Regular ) I=2A,P=286mW

圖4.12 (Ⅱ)表示當腔長為 2 cm，輸入1.04W產生1342nm波段脈衝雷射輸出的時域分佈圖

Regular, I=2.0 A ,P= 203 mW Regular, I=2.0 A ,P= 203 mW

圖4.12 (Ⅲ)表示當腔長為 10 cm，輸入1.04W產生1342nm波段脈衝雷射輸出的時域分佈圖

Regular , I=2.0A ,P=98.3mW Regular , I=2.0A ,P=98.3mW

圖4.12 (Ⅳ)表示當腔長為 20 cm，輸入1.04W產生1342nm波段脈衝雷射輸出的時域分佈圖

圖 4.13 探討短腔與長腔狀況之下，縱模頻域與時域示意圖

* short cavity

QW~7nm , T0(Z)

E1(T0), E2(T0), → E1 > E2 or E1 < E2

QWs QWs

time domain Chaos

t T

t saturable

* long cavity

time domain

t Regular E1(T0), E2(T0), E3(T0), E4(T0), E5(T0), ... En(T0),

→ E1 ~E2 ~E3 ~E4 ~E5 ……~En → transmission !!

QWs QWs

saturable

t T

圖 4.14 以 AlGaInAs(15×2 QWs)為量子井飽和吸收體之雷射實驗架構圖

M2: Output coupler Flat mirror S1: R=96%

HT@1

S2: AR@1342nm,1064nm M1: R=50cm

@1342nm

0.5% Nd:YVO4

AR/AR

@1342nm 3x3x7 mm³

a-cut

Cavity length

Beam sp

L = 14mm

Powermeter lit

absorber AlGaInAs 15x2 QWs

Oscilloscope

@1342nm 064,T>95%

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0

Pumping Power(W)

171 mW

output Power(

AlGaInAs as SESA 2 QWs 15x2 QWs (M

圖 4.15 不同的量子井數設計之下，激發功率與平均輸出功率數據圖 QWs)

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 0

80 160 240 320 400

Repetition rate(KHz)

Pumping Power(W) AlGaInAs as SESA

2 QWs

15x2 QWs (MQWs)

圖 4.16 不同的量子井數設計之下，激發功率與脈衝雷射重複率關係圖

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8

0 3 6 9 12 15

1.3 µJ

13.6 µJ

Pulse Energy (µJ)

Pumping Power(W) AlGaInAs as SESA

2 QWs

15x2 QWs (MQWs)

圖 4.17 不同的量子井數設計之下，激發功率與脈衝能量關係圖

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 AlGaInAs as SESA

2 QWs

15x2 QWs (MQWs)

Pumping Power(W)

Peak Power(W)

About 18 times

0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 AlGaInAs as SESA

2 QWs

15x2 QWs (MQWs)

Pumping Power(W)

Peak Power(W)

About 18 times

圖 4.18 不同的量子井數設計之下，激發功率與雷射峰值功率關係圖

compare with 2-QWs ,

L=1.4cm

(Chaos)

compare with 2-QWs ,

L=1.4cm

(Chaos)

Regular

AlGaInAs - 15x2QWs,

L=1.4cm

（a）（b）

圖 4.19 不同的量子井數設計之下，脈衝雷射時域分布圖

圖 4.20 探討以不同量子井數為飽和吸收體，所得之縱模頻域與時域示意圖 E1(T0), E2(T0), E3(T0), E4(T0), E5(T0), ... En(T0),

→ E1 ~E2 ~E3 ~E4 ~E5 ……~En → transmission !!

* MQWs-15x2QWs

* MQWs-15x2QWs MQWs

MQWs

t T

Regular

* 2-Quantum Wells

QW~7nm , T0(Z)

E1(T0), E2(T0), → E1 > E2 or E1 < E2

QWs QWs

Chaos

t T

in

time domain saturable

time doma

saturable

圖 4.21 以 AlGaInAs 材料為量子井飽和吸收體之 1342nm 近紅外光雷射實驗架構圖

圖 4.22 以InGaAsP 材料為量子井飽和吸收體之 1342nm 近紅外光雷射實驗架構圖

M1: R=50cm @1342nm

0.5% Nd:YVO4

AR/AR

@1064nm 3x3x7 mm³

a-cut

Cavity length L = 14mm

Powermeter Beam split

absorber InGaAsP 15 QWs

M2: Output coupler Flat mir

S1: HT@

R=96% @1342nm S2: AR@1342nm,1064nm

Oscilloscope M2: Output coupler

Flat mirror

S1: HT@1 ; R=96% @1342nm S2: AR@1342nm,1064nm M1: R=50cm

@1342nm

0.5% Nd:YVO4

AR/AR

@1342nm 3x3x7 mm³

a-cut

Cavity length L = 14mm

Powermeter Beam split

absorber AlGaInAs 15×2 QWs

Oscilloscope

064,T>95%

ror

1064,T>95%;

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0

30 60 90 120 150 180

131mW 171mW

average output power(mW)

pumping power(W)

R=96% output coupler AlGaInAs-15x2 QWs InGaAs P- 15 QWs

圖 4.23 不同的量子井材質設計之下，輸入功率與 1.3μm 雷射輸出功率關係圖

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

pumping power(W)

0 10 20 30 40 50 60

Repetition Rate(KHz)

R=96% output coupler AlGaInAs-15x2 QWs InGaAs P- 15 QWs

圖 4.24 不同的量子井材質設計之下，輸入功率與脈衝雷射重複率關係圖

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0

2 4 6 8 10 12 14

3.6 µJ 13.6 µJ

R=96% output coupler AlGaInAs-15x2 QWs InGaAs P- 15 QWs

Pulse Energy (µJ)

pumping power(W)

圖 4.25 不同的量子井材質設計之下，輸入功率與 1.3μm 脈衝雷射輸出能量關係圖

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0 100 200 300 400 500

Peak Power(W)

pumping power(W)

R=96% output coupler AlGaInAs-15x2 QWs InGaAs P- 15 QWs

圖 4.26 不同的量子井材質設計之下，輸入功率與 1.3μm 雷射峰值功率關係圖

AlGaInAs AlGaInAs AlGaInAs Quantum Well

E

_{g barrier}

barrier

Quantum Well

E

_{g barrier}

barrier

Quantum Well

E

_{g barrier}

barrier

Quantum Well

barrier InGaAsP

InGaAsP InGaAsP InGaAsP

E

_{g barrier}

barrier

Leakage !!

E

_{g barrier}

barrier

Quantum Well

barrier

Leakage !!

barrier

Quantum Well

barrier

Leakage !!

Quantum Well

barrier

Leakage !!

(b)

圖 4.27 不同的半導體飽和吸收體量子井材質，量子井能帶示意圖

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

100 1342nm

64%

91%

Transmission(%)

Wavelength(nm)

substrate AR coating InP-Fe doped InP-S doped

圖 4.28 半導體飽和吸收體基材鍍抗反射膜之後，以單光儀量所測得的光譜圖

圖 AlGaInAs 為 SESA，改變不同輸出鏡之 1342nm 雷射實驗架構圖

M2: Output coupler Flat mirror

S1: HT@1064,T>95%;

R=94% @1342nm R=96% @1342nm R=98% @1342nm S2: AR@1342nm,1064nm M1: R=50cm

@1342nm

0.5% Nd:YVO4

AR/AR

@1064nm 3x3x7 mm³

a-cut

Cavity length L = 14mm

Powermeter Beam split

absorber AlGaInAs 15×2 QWs

Oscilloscope

4.29 固定以

0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 0

100 200 300 400 500 600 700

Output Power(mW)

Pumping power(W)

Continue Wave average output power

R=94% Output coupler R=96% Output coupler R=98% Output coupler

圖 4.30 在不同反射率的輸出耦合鏡設計之下，輸入功率與 1.3μm CW 雷射輸出功率關係圖

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

0 30 60 90 120 150 180

210 R=94%

211mw

averagutput power(mW)

pumping power

e o

(W)

AlGaInAs-MQWs-15x2 QWs R=94% output coupler R=96% output coupler R=98% output coupler

圖 4.31 針對 AlGaInAs 材質 SESA 配合不同反射率的輸出耦合鏡，得到脈衝雷射輸出功率圖

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0

5 10 15 20 25 30

Pumping Power(W)

AlGaInAs-MQWs-15x2 QWs R=94% output coupler R=96% output coupler R=98% output coupler

Repetition Rate(KHz)

圖 4.32 AlGaInAs 材質 SESA 配合不同反射率的輸出耦合鏡，得到輸入電流與脈衝重覆率圖

圖 4.33 AlGaInAs 材質 SESA 配合反射率 96％的輸出耦合鏡，得到之脈衝寬度

output coupler R=98%

output coupler R=96%

output coupler R=94%

圖 4.34 AlGaInAs 材質 SESA 配合不同反射率的輸出耦合鏡，得到之脈衝時域圖

0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0

3 6 9 12 15 18

R=94%

14.6 µJ

AlGaInAs-MQWs-15x2 QWs R=94% output coupler R=96% output coupler R=98% output coupler

pumping power(W)

P.E.(µJ)

圖 4.35 AlGaInAs 材質 SESA 配合不同反射率的輸出耦合鏡，輸入電流與 1.3μm 脈衝能量圖

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8

0 100 200 300 400 500 600

pumping power(W)

AlGaInAs-MQWs-15x2 QWs R=94% output coupler R=96% output coupler R=98% output coupler

Peak Power(W)

圖 4.36 AlGaInAs 材質 SESA 配合不同反射率的輸出耦合鏡，得到輸入電流與峰值功率關係圖

在文檔中以磷化銦基材之量子井結構為半導體飽和吸收體實現1.3μm 被動式Q-開關雷射 (頁 49-74)

第四章 實驗結果與討論

4.4 輸出鏡反射率對於1.3μm被動式Q開關雷射能量之影響

＊實驗架構

＊實驗結果與討論

( )

( )

( Regular ) I=2A,P=286mW ( Regular ) I=2A,P=286mW

Regular , I=2.0A ,P=98.3mW Regular , I=2.0A ,P=98.3mW

QWs QWs

time domain

QWs QWs

saturable

About 18 times

About 18 times

L=1.4cm

(Chaos)

L=1.4cm

(Chaos)

L=1.4cm

* MQWs-15x2QWs

* MQWs-15x2QWs MQWs

MQWs

* 2-Quantum Wells

QWs QWs

in

time domain saturable

time doma

saturable

AlGaInAs AlGaInAs AlGaInAs Quantum Well

E

Quantum Well

E

Quantum Well

E

Quantum Well

barrier InGaAsP

InGaAsP InGaAsP InGaAsP

E

barrier

Leakage !!

E

barrier

Quantum Well

barrier

Leakage !!

barrier

Quantum Well

barrier

Leakage !!

Quantum Well

barrier

Leakage !!

output coupler R=98%

output coupler R=98%

output coupler R=96%

output coupler R=96%

output coupler R=94%

output coupler R=94%

第四章實驗結果與討論