第二章 簡介
2.1 傳統摻釹釩酸釔(Nd:YVO4)的介紹
2.1.2 雷射晶體吸收效率與偏振特性實驗
雷射增益介質(gain medium)是雷射系統的主要關鍵，它決定了雷射的 主要特性。因此，選擇適當的增益介質是雷射研究的第一步。在眾多Nd3+
離子摻雜(doping)的增益介質中，Nd:YVO
4
與 Nd:YAG 因同樣具有良好的 物理、光學及熱的特性，而廣泛的被應用於各雷射系統當中。兩者雖有相 同活性離子(active ion)，但由於活性離子存在於不同的基質材料中，承受不 同的晶格場(crystal field)，使得 Nd:YVO4
與Nd:YAG 晶體在偏振光的吸收 特性有所差異。因此依實際的研究，詳細的實驗出偏振光對a-cut Nd:YVO4
、 c-cut Nd:YVO4
、Nd:YAG 晶體的吸收特性，還有 a-cut Nd:YVO4
、c-cut Nd:YVO4
、Nd:YAG 晶體的實際吸收光譜。實驗方法與架構:
使用交大電子物理系實驗室的單光儀設備，在實驗架構圖一中(如圖 2-1)，不加偏振鏡片(Non Polarization)，激發光源輸入 700nm~1000nm 的激 發波段，針對(a) a-cut Nd:YVO4 (b) c-cut Nd:YVO4 (c)Nd:YAG 三種雷射晶體，
以單光儀量測出三種晶體的吸收光譜波段強度。在實驗架構圖二中(如圖 2-2 ) ，輸入 700nm~1000nm 的激發光，加入偏振鏡片，分別以 b-axis 和 c-axis 的偏振光輸出，針對(a) a-cut Nd:YVO4 (b) c-cut Nd:YVO4 (c)Nd:YAG 三種雷 射晶體，以單光儀量測出b-axis 偏振光與 c-axis 偏振光對三種晶體的吸收 光譜波段強度。
最後依據以上的量測分別繪出:
(a)a-cut Nd:YVO4 doping:0.2% 3mm x 3mm x 12mm 晶體(不加偏振鏡、加 b-axis 偏振光、c-axis 偏振光)三種方式的吸收光譜圖(如圖 2-3 )。
(b) c-cut YVO4 doping:0.5% 5mm x 5mm x 10mm(不加偏振鏡、加 b-axis 偏 振光、c-axis 偏振光)三種方式的吸收光譜圖(如圖 2-4)。
(c) Nd:YAG doping:1.1% 5mm x 20mm 晶體(不加偏振鏡、加 b-axis 偏振光、
c-axis 偏振光)三種方式的吸收光譜圖(如圖 2-5)。
依據吸收光譜圖來分析，不加偏振與加了b-axis 和 c-axis 的偏振光，對 三種晶體的吸收特性與實際的吸收波段的強度。
實驗結果:
(a)在a-cut Nd:YVO4晶體的波長吸收中，由圖(2-3)可看出，c-axis 的吸收 效率最高；其次是不加偏振鏡片(total)的吸收率，因為不加偏振鏡片的 吸收光譜線，激發光涵蓋了b-axis 和 c-axis 偏振的部分分量，所以對 a-cut Nd:YVO4晶體的吸收率大小會介於b-axis 與 c-axis 偏振之間；吸 收率最小的為 b-axis 的偏振光。吸收波長分別落在 750nm、809nm、
880nm 有較高的吸收率。
(b)由圖(2-4)可看出，c-cut Nd:YVO4晶體在不加偏振鏡片(total)與光偏振 0°(0-polarization)和 90°(90-polarization)的吸收光譜，三條譜線是重合在 一起的，由此可見c-cut Nd:YVO4晶體對偏振光的吸收率是沒有差異性 的。這與之前敘述，當Nd:YVO4晶體為c-cut 時，晶體特性 a-axis=b-axis，
在不加偏振鏡片與將光偏振0°和 90°的偏振光，對 Nd:YVO4晶體a-axis 與 b-axis 吸收率都是一樣的，所以其吸收光譜線會重合。而其吸收波長 也分別落在750nm、809nm、880nm 有較高的吸收率，與 a-cut Nd:YVO4
晶體差異不大。
(c)由圖(2-5)可看出 Nd:YAG 的晶體，對不加偏振鏡片(total)、
0°(0-polarization)和 90°(90-polarization)偏振光的吸收光譜線也是重合的。
由於Nd:YAG 的晶體特性為任意偏振光的吸收特性；所謂任意偏振
(random polarization):就是在任意方向的光輸入，對 Nd:YAG 晶體只要是 符合其吸收波段的光都可吸收的特性。所以total、0-polarization 和 90-polarization 偏振光的吸收光譜線是重合的。而 Nd:YAG 晶體的吸收 波長分別落在 750nm、810nm、870nm 有較強的吸收群。
結果討論:
在雷射晶體的吸收實驗，可以看出Nd:YVO
4
晶體不論是a-cut 或是 c-cut 的切割方式，吸收光譜的分佈在750 nm、809 nm、880 nm 這三個譜線有較 高的吸收率；而 Nd:YAG 晶體的吸收波長分別落在 750nm、810nm、870nm 有較強的吸收群，由圖(2-5)顯示出 Nd:YAG 晶體吸收光譜圖，有比較多的 不同尖峰的波長，吸收能階較複雜性，所以在同樣波段內可看出Nd:YAG 的波峰數較多，但主要的吸收波長與Nd:YVO4
大致是相同的。所以當在選 擇激光二極體時，盡量挑選符合雷射晶體吸收的激發光源，可增加其雷射 轉換的效率。然而在偏極光對雷射晶體本身的吸收特性，若是選擇Nd:YVO
4
的晶體，a-cut 的晶體特性 π(c-axis)＞σ(b-axis)，所以吸收率大小 π(c-axis)遠大於 σ(b-axis)，若是 c-cut 的晶體， 其晶體特性 b-axis =c-axis，所以偏振光對 c-cut 的晶體吸收率大小是相同的。當雷射晶體為 Nd:YAG 時，因 Nd:YAG 晶體的任意偏振(random polarization)特性，所以偏振光對 Nd:YAG 晶體的
吸收效率都是一樣的。偏振光對晶體的吸收特性，在裝調雷射是很重要的 一環，如果將 a-cut Nd:YVO
4
晶體與偏極性為σ 偏振的輸入光波，會導致 吸收效率較差。表 2-1 Nd:YVO4與 Nd :YAG 之物理特性
表 2-2 Nd:YVO4與 Nd :YAG 之熱學性質
晶體 Nd:YAG Nd:YVO4
晶體結構 Cubic Zircon Teragonal
晶格常數 12.01Å a-axis=7.12Å , c-axis= 6.29Å
摻雜濃度 0.9 % ~ 1.1 % 0.1% ~ 3%
熔點 1970℃ 1810 ~ 1940 ℃
密度 4.65 g/cm3 4.22 g/cm3
莫氏硬度 8.5 ~5
折射率 1.82 @ 1.06μm n0=1.96 , ne=2.16 @1.06μm
晶體 Nd:YAG Nd:YVO4
熱膨脹係數
8.6x10-6/K [100],0-250℃
7.7x10-6/K [110],0-250℃
7.8x10-6/K [111],0-250℃
a-axis = 4.43x10-6/K c-axis = 11.37x10-6/K
熱傳導率 14W/m-K @ 20 ℃ 10.5W/m-K @ 100℃
c-axis : 5.23W/m-K a-axis : 5.10W/m-K
熱光係數 7.3x10-6/K 8.2x10-6/K for a-axis 3.9x10-6/K for c-axis
表 2-3 Nd:YVO4與 Nd :YAG 之光學特性
晶體 Nd:YAG Nd:YVO4
雷射中心波長 946nm , 1064nm 914nm , 1064nm 有效輻射截面 2.8x10-19cm2@1064nm
2.8x10-20cm2@946nm 25.0x10-19cm2@1064nm 吸收係數 10 cm-1@807.5nm ,
1 % doping
31.4 cm-1(π) , 10.5 cm-1(σ)
@808nm, 1.1 % doping
增益頻寬 0.6nm 0.96nm
幫浦中心波長 807.5nm 808nm
吸收頻寬 1nm @ 807.5nm 15nm(π) , 8nm(σ)
@ 808nm
自發輻射生命期 230μs 90μs
其他 非極化輻射
熱雙折射性強
平行光軸之極化輻射 具雙折射性
圖 2-1 雷射晶體吸收不加偏振鏡片之實驗架構圖 一
圖 2-2 雷射晶體吸收加偏振鏡片之實驗架構圖 二
λ ＝ 700~1000nm
輸入光源 (Light input) 雷 射 介 質
(Gain Medium)
Nd:YVO4 a-cut
Nd:YVO4 c-cut
Nd:YAG
單 光 儀
a-cut Nd:YVO4 doping:0.2% 3mm x 3mm x 12mm
Wavelength (nm)
7007508008509009501000
Absorption (%)
0
110 total
b-axis
λ ＝ 700~1000nm
輸入光源 (Light input) 雷 射 介 質
(Gain Medium)
Nd:YVO4 a-cut
Nd:YVO4 c-cut
Nd:YAG
單 光 儀
a-cut Nd:YVO4 doping:0.2% 3mm x 3mm x 12mm
Wavelength (nm)
7007508008509009501000
Absorption (%)
0
圖 2-3 a-cut Nd:YVO4 doping:0.2% 3mm x 3 mm x 12mm 吸收光譜圖
圖 2-4 c-cut Nd:YVO4 doping:0.5% 5mm x 5mm x 10mm 吸收光譜圖
a-cut Nd:YVO4doping:0.2% 3mm x 3mm x 12mm
Wavelength (nm)
700 750 800 850 900 950 1000
Abso rption (%)
0
c-cut Nd:YVO4doping:0.5% 5mm x 5mmx10mm
Wavelength (nm)
700 750 800 850 900 950 1000
Absorption (%)
0
圖 2-5 Nd :YAG doping:0.5% 5mm x 5mm x 20mm 吸收光譜圖
Nd:YAG doping:1.1% 5mm x 20mm
Wavelength (nm)
700 750 800 850 900 950 1000
Absorption (%)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
total 0 polarization 90 polarization