雷射晶體散熱系統

在3.1 節提到過，對準三能階雷射而言，晶體的熱效應所造成的 重複吸收損耗會嚴重影響雷射輸出功率，故針對雷射晶體所設計的散 熱系統，為一相當重要之工作。

首先介紹一個成本低廉、構造簡單的散熱元件。熱電致冷器 (TE-cooler)常用於節省空間、有效的散熱應用在許多小型雷射架構 中。直接外加電流即可工作，並且藉由電流流動將相反的兩面產生冷 與熱的高低溫分佈[54]。

圖 3.27 為一個典型的熱電模組是由兩片陶瓷材料的基板所組 成，中間以許多丁塊狀、作為 P 型與 N 型的電子電洞之半導體材料 鉍元素(Bismuth)及碲化物(Telluride)來隔離，並以一般的導體相連接 而成一完整線路，通常是銅、鋁或其他金屬導體，陶瓷片必須絕緣且 導熱良好，而半導體材料元件以電性串聯與熱效應並聯方式來連接。

圖3.27 完整 TEC 模組[55]

圖3.28 為單一組 P、N 元件其工作原理，直流電源(DC)提供了電 子流動所需的能量，通上電源之後，電子由負極(-)出發，先從 P 型吸 收能量，到達 N 型再將熱量放出，每經過一個 NP 模組，就有熱量 由一邊被送到另外一邊，造成溫差，而形成冷熱端，如圖3.29，冷熱 端分別由兩片陶瓷片所構成，冷端(cold side)要接熱源，也就是欲冷 卻之物，而熱端(hot side)要藉由散熱器(heat sink)或是周圍環境，將熱 量排出。於各接面之間，一樣要塗上散熱膏，以利熱量之傳導。

圖3.28 典型單一 PN 對工作原理[55]

圖3.29 TEC 之冷端與熱端[54]

圖3.30 與表 3-9 分別為實驗中，實際採用 Melcor 公司之 TEC 商 品規格圖表[55]，接下來我們將針對此尺寸大小為 30 mm×30 mm、厚 度4 mm 之 TE-cooler，利用 Auto CAD 軟體來設計增益介質晶體夾具 以及適合此TEC 之散熱系統。

圖3.30 實驗用之 TEC 規格圖[55]

表3-9 本實驗所採用之 TEC 規格表

TH = 25°C Dimensions (mm) Catalog

Number1

Imax

(Amps)

Qmax

(Watts)

Vmax

(Volts)

∆Tmax

(°C) N A B C D

CP 1.0-127-08L 2.5 21.4 15.40 67 127 30 30 30 4.0

表中的I_max為最大輸入電流；V_max為當電流最大時(I_max) ，最高 的輸入電壓；∆T_max為模組沒有熱負載(heat load)時(Q=0)，冷端與熱 端的最大溫差；Q_max為當∆T=0 時，模組可承受最大的幫浦熱量。

如圖3.31，我們選擇以導熱係數佳的紅銅為材料，在冷端設計將 晶體固定之夾具，體積較小；而在熱端為大體積的梳狀散熱結構，當 圖中之正負極電源線通入DC 電流後，系統便會將晶體所在的冷端迅

速降溫，並把溫度帶到熱端，而藉由大體積之梳狀結構，便可接收大 量的熱以及消除於周圍環境中，抑或是外加風扇當作散熱器使梳狀結 構更快把熱消除。

梳狀結構之TE-cooler散熱銅座 晶體夾具

材料：紅銅

圖3.31 實驗用之散熱系統成品圖

3.7 946 nm 雷射特性量測

在完成模態匹配的數值模擬分析、雷射晶體及輸入/輸出耦合透 鏡之光學鍍膜、及散熱系統後，架設線型共振腔之結構完成如圖3.32 所示，我們同時針對兩種幫浦波長808 nm 以及 885 nm 實驗，在經過 聚焦後幫浦在經鍍膜後的雷射共振腔內之Nd:YAG 晶體，並在散熱系 統工作下，以及各項元件均經過光學校準後，達到946 nm 紅外光(IR) 雷射之輸出。其中 L=2R，即腔長約兩倍耦合透鏡焦距 10 cm。

Filter

I/C O/C

Ti: sapphire laser

λ= 808、885 nm f=100 mm

Nd:YAG Power meter

946 nm lasing R=50 mm

L=100 mm

圖3.32 線型共振腔實驗架構圖

圖3.33 為量測其雷射輸出曲線圖，由圖中可見，在相同幫浦功率下，

以885 nm 為幫浦光源時，946 nm 雷射輸出功率較以 808 nm 作為幫 浦光源為高，此結果更驗證了先前 3.1 節所提到，以 885 nm 為幫浦 波長與所需的946 nm 輻射譜線間的能帶差距較小，可得到較高的量 子轉換效率，電子從幫浦能帶轉換至亞穩態能階的過程中所產生的熱 輻射也較少。圖3.34 為頻譜分析儀量測之雷射輸出波長為 946 nm。

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4

808 nm pump power (W)

946 nm lasing power (mW)

808 nm pump 885 nm pump

圖3.33 線型共振腔雷射輸出曲線圖(L=10 cm)

圖3.34 頻譜分析儀量測圖

946 nm lasing power (mW)

TE-cooler driving current (Amp)

0

Gain medium holder temp.( o C )

圖 3.35 晶體溫度變化與輸出功率關係圖

第四章 雙鏡式環型共振腔之特性

承接我們以往已開發之雙鏡式立體環型共振腔所組成的單縱模 紅外光(1064 nm)、綠光(532 nm)雷射之系統，我們除了希望以相同之 架構及原理，進而達成更短波長之單縱模紅外光 946 nm 與藍光(473 nm)雷射外，也希望搭配本實驗室更臻成熟之光學鍍膜技術，在實驗 所需元件上，自行設計並完成我們所需要的光學鍍膜，且應用在我們 的雙鏡式架構上發展出單縱模雷射。

相較於1064 nm 環型雷射架構而言，要以同樣架構達到 946 nm 環型雷射，兩者除了對晶體表面和輸入/輸出耦合透鏡之光學鍍膜不 盡相同外，最大差異之處即是Nd:YAG 固態雷射對波長 946 nm 的輸 出是屬於一個準三能階雷射系統，不僅幫浦強度(pump intensity)較四 能階雷射來的高，更存在著重複吸收損耗以及熱效應的問題，在第二 章已有詳盡的介紹與討論；並在第三章介紹以散熱系統等方法，以線 型結構克服準三能階的熱效應問題，使得波長946 nm 的紅外光已能 在 L=2R 的條件下達到雷射輸出；故要以環型架構達成 946 nm 雷射 輸出，對於雷射晶體厚度、及晶體散熱系統的要求都更加的嚴格。

雙鏡式立體環型共振腔與線型共振腔使用相同的元件，亦即可以 使用一般線型共振腔，經過適當側移幫浦光源與增益介質以及調整腔 長，可形成雙鏡式立體環型共振腔的操作。而在本章前兩節將說明其 單方向控制原理及實驗架構，後兩節將針對雙鏡式共振腔的特性做分 析並說明實驗上之進度。

4.1 雙鏡式立體環型共振腔單縱模紅外光與藍光雷射之架構

圖4.1 為一般線型共振腔雷射之架構，雙鏡式立體環型共振腔與 線型共振腔使用相同的元件，亦即可以使用一般線型共振腔，經適當 側移幫浦光源與增益介質以及調整腔長，即可形成雙鏡式立體環型共 振腔，如圖4.2 所示。

輸入耦合鏡 輸出耦合鏡

幫浦光源

增益介質

雷射輸出 聚焦透鏡

圖 4.1 一般線型共振腔架構

雙鏡式立體環型共振腔的主要架構為兩片球面鏡片，在能夠滿足 適當的腔長及球面曲率的相關性，使腔內光束形成一“8”字形的路 徑；其操作方式是以平凸透鏡與輸入端的耦合透鏡組成一透鏡組，以 適當焦距的聚焦透鏡將幫浦光源聚焦，聚焦後的激發光源自該共振腔 中心軸水平距離 d₀ 處，以平行於鏡軸之方向進入共振腔內，激發增 益介質而釋放出基頻雷射光，基頻雷射光即於此環型共振腔內依循立 體“8”字形路徑行進。如圖 4.2 所示，不論是上視圖或側視圖，其雷射 路徑皆為立體“8”字形，而其端視圖，則為正方形。

rotator

器與石英晶體之旋轉器時，這兩方向相反的光，將會有不同的極化旋 轉方向，因為光極化旋轉方向的不同，其中一方向的光經布魯斯特角 之旋轉器會有較高的損耗，另一方向則可以完全通過而達成單方向的 傳播方向之控制，此時腔內為行進波的形式共振，在雷射增益介質上 已無空間燒孔效應了，雷射操作在在單縱模紅外光輸出；至於加入磁 鐵所產生的法拉第效應，將在下一節作完整的介紹。

在立體“8”字形環型共振腔中，將倍頻晶體放在相對於增益介質 的另一道光路徑上，如圖4.3 所示，此圖為雙鏡式立體“8”字形環型單 縱模藍光雷射之架構。

frequency doubling crystal

Ti: sapphire laser λ= 808、885 nm

magnet

focusing lens 946 nm

Nd:YAG AR@946 nm

single mode blue laser

圖 4.3 雙鏡式立體“8”字形環型共振腔單縱模藍光雷射之架構

4.2 光束行進之單方向控制

要產生單縱模雷射，首先是消除空間燒孔效應，也就是使光在共 振腔內以行進波，而不是存在駐波的型式存在；然而消除燒孔效應最 有效的方法之一是藉由單方向控制，使其為腔內以單方向傳播的環型 共振腔；因此在環型共振腔下，放入一個光隔離器，包含一個法拉第 旋轉器、一個旋轉器以及偏振片(polarizer)，如圖 4.4 所示；法拉第旋 轉器為非可倒置之機制，其作用為光極化旋轉方向與外加的磁場方向 有關，而與光傳播方向無關；旋轉器則為可倒置之機制，作用與法拉 第效應相反；因此當兩方向相反行進的光，經過法拉第旋轉器與旋轉 器時，這兩方向相反的光，將會有不同的極化旋轉方向；由於光極化 旋轉方向之不同，其中一方向的光(如圖 4.4 中之 CW)，經偏振片會 有較高的損耗，另一方向(如圖 4.4 中之 CCW)，則可以完全通過，因 此達成單方向的傳播方向之控制。

reciprocal rotator

polarizer

non-reciprocal Faraday rotator

CW CCW

圖4.4 環型共振腔之單方向控制之示意圖

在雙鏡式環型共振腔腔內，使用具有法拉第效應之 Nd:YAG 作為 增益介質，由於 Nd:YAG 具有凡第常數(Verdet constant)，加入磁鐵將 誘導Nd:YAG 產生法拉第效應，形成非可倒置旋轉器；由於石英晶體 具有旋光性(optical activity)，因此可當作具有可倒置效應之旋轉器，

並將此旋轉器擺成布魯斯特角，形成偏振器；當光在雙鏡式環型共振 腔內共振時，只有一個路徑的光在來回震盪時所受的損失較少，相對 的另一路徑的光來回震盪受到的損失較大，最後此路徑不能生存，因 此達成雙鏡式環型共振腔的單方向路徑之控制。文獻上可知[56]，只 要低損失之路徑與高損失路徑其兩方向路徑的損失差別在 0.1 %左 右，即可以達成單方向之控制。加入磁鐵，使Nd:YAG 產生之法拉第 效應，將在以下做說明:

光極化方向

入射光

圖 4.5 法拉第效應示意圖

一束光入射至有法拉第效應之晶體，如圖4.5 所示，此束光經過 此晶體後，其極化旋轉角度大小可以表示為:

V B l

F

θ =

(4.1)

θ : 由於法拉第效應所旋轉的角度 V : 凡第常數

B : 磁通密度(magnetic flux density) l :F 晶體長度

以Nd:YAG 而言，其凡第常數為 103º/T-m，其他具有法拉第效應 材料之凡第常數則在表4-1 中[57]。

表4-1 具有法拉第效應材料之凡第常數表格

材料 溫度( )℃ 凡第常數, V(°/T-m)

Nd:YAG 103.0

Nd:YAG 103.0

在文檔中 雙鏡式立體環型共振腔單縱模紅外光與藍光雷射之研製 (頁 81-124)