5.1 導論
現在有許多的實驗中都會有需要激發He原子的過程，如中子的研究，雷射 鑷夾和原子冷卻等實驗。目前，被用於激發He原子光源的 1083nm雷射可分為DFB 及DBR所形成的二極體雷射和使用Nd:LMA或Nd:LuALO3兩種晶體當增益介質 所形成的固態雷射。
雷射二極體所激發的固態雷射之發展常會對科技進步有顯著的幫助。摻釹釩 酸釓晶體(Nd：GdVO4)是一個非常好的增益介質，因為它有較高吸收係數以及較 大的熱傳導係數。過去，對於摻釹釩酸釓晶體的研究都以 1063nm的波段為主；
但由摻釹釩酸釓晶體(Nd：GdVO4)的吸收螢光光譜中，能發現晶體能階由4F3/2 →
4I11/2時大約會有 5-6 個吸收帶存在。圖 5.1 為室溫時對摻釹釩酸釓晶體(Nd：GdVO4) 時所量測的吸收螢光光譜，其晶體能階由4F3/2 → 4I11/2且光譜解析度約為 0.1nm 左右。在吸收螢光光譜圖中可以發現有 1083nm的峰值存在，因此可預期摻釹釩 酸釓晶體(Nd：GdVO4)能用來產生 1083nm的雷射。又因釹釩酸釓(Nd：GdVO4) 晶體其有效激發幅射面積小，所以很適合拿來作拉曼雷射的增益介質。所以我們 可以很合理地預測在以釹釩酸釓(Nd：GdVO4)晶體當增益介質所作的被動式脈衝 雷射中，會有拉曼訊號的產生。
因此，本文研究以釹釩酸釓(Nd：GdVO4)晶體當增益介質時，所產生連續性 1083nm之雷射(CW Laser)以及在被動式脈衝雷射中所產生 1186nm和 1197nm 的拉曼雷射為主。
5.2 高功率的 1083nm 雷射
5.2-1 實驗架構我們採用平凹腔的單端激發式雷射實驗裝置圖 (如圖 5.2)。激發光源為 16W 的半導體雷射，其輸出波長為 808 nm且有效耦合輸出效率為 85%，聚焦鏡組的焦 距為 12.5mm且聚焦至a-cut 的Nd：GdVO4上時其激發光點直徑為 0.25mm。晶體中 Nd 離子的摻雜濃度為 0.27%，晶體長度為 10 mm並以銅座包覆且通水溫控於 24
0C。輸入耦合鏡M1 是個焦距為 504.7 mm的凹面鏡，並在其上鍍有對 1123nm 波 長高反射膜(R>99%)，且對激發光源(808nm)及 1064nm兩波長為高穿透(T>90%, T>80%)的鍍膜。在輸出耦合鏡M2 方面，選用 4 個平面鏡子(A, B, C, D)作為比較。
作為M2 的 4 個鏡子分別為(1) A鏡子 ﹕為一平面鏡，並在鏡面上鍍有針對 1123 nm 波長高反射膜(R > 99. 8% )，及對激發光源(808 nm)及 1064nm兩波長高穿透膜 (98%, 80%)；(2) B鏡子﹕為一平面鏡，並在鏡面上鍍有針對 1085nm 波長反射膜 (R > 93% )，且對 1064 nm波長高穿透膜(85 %)；(3) C鏡子: 為一平面鏡，並在鏡 面上鍍有針對 1123nm 波長高反射膜(R > 99. 8% ) 和 561nm 波長反射膜(R >
93% )，且對激發光源(808nm)及 1064nm兩波長為高穿透膜(98%,80%)；(4) D鏡子:
為一平面鏡，並在鏡面上鍍有針對 1085 nm 波長反射膜(R > 87. 8% ) 和 1064nm 波長高穿透膜 (T > 74 % )。並在共振腔內擺一個沒有鍍膜的蓋玻片當etalon來改 變輸出雷射的波長及功率。實驗架構腔長約為 3.5 公分。
5.2-2 實驗結果與討論
以平凹腔的實驗架構，來研究以Nd摻雜釩酸鹽形成的Nd：GdVO4晶體為增 益介質，與4 平面鏡(A, B, C, D)所產生的 1083nm雷射作比較。表二為 4 平面鏡 (A, B, C, D)分別對 1064nm、1083n m、1086nm的穿透率。首先，研究共振腔內 沒放etalon時，用A (T=2.7%)和C(T= 2.2%)兩個鏡子當輸出鏡，討論其輸出功率。
圖5.2 為 1083nm 波長的平均輸出功率對入射激發光源功率的作圖。當最大輸入 功率為12.5 W，對A輸出鏡(T=2.7%)可得到 3.4W的輸出功率且其斜率為 30.1 %。
當最大輸入功率為12.5W，對C輸出鏡(T=2.2%)可得到 2.7W的輸出功率且其斜率 為23.5%。圖 5.3 是使用光譜(Advantest Q8381A)量測雷射光譜資訊，光譜儀使
用繞射晶體單光儀來量測高速脈衝，其解析度可到達0.1nm 。由圖 5.3 可以得知 Nd：GdVO4雷射所產生的半高寬為0.4nm，且其峰值在 1082.7nm左右。本實驗中，
對於所有輸出功率的光束品質(M2)均小於 1.5 且由實驗的斜效率可以知道光子在 共振腔來回一次會損失約 0.45%的能量。一般來說，1063nm雷射的斜效率大約為 50%~60%，這比起實驗中 1083nm雷射的斜效率要好。但是，1083nm的Nd：GdVO4 雷射的斜效率比起目前用其它材料來產生的 1083nm雷射要來的好。
圖5.4 為 4 個輸出鏡的輸入功率對輸出功率的作圖。由實驗數據發現，由 B、
C、D 三個輸出鏡的輸出波長都有兩個波長的產生。於是，我們在共振腔內加上 一個沒有鍍膜的蓋玻片當 etalon，來討論輸出波長的變化。圖 5.5 就是我們利用 轉 etalon 的角度來改變輸出波長對輸出功率的作圖。由圖 5.5 可以知道波長可以 從 1082.34nm 調到 1083.64nm 且當輸出波長為 1082.56nm 時有相對最大輸出功率。
當輸入功率為5.2W 並轉動 etalon 的角度，可以得到 1.1W 的相對最大輸出功率且 其波長為 1082.56nm。圖 5.7 仍為 4 個輸出鏡的輸入功率對輸出功率的作圖，但 此時在共振腔內加上 etalon。由圖 5.7 的實驗結果發現，在共振腔內放 etalon 能讓 我們很順利的把輸出波長由雙波長變為只有 1083nm 波長。
在這個實驗中，在輸出雷射的波長常可以看到1083nm、1086nm、 1064nm 三個波長的出現。圖5.8 是輸入功率對輸出功率的作圖，此時使用的輸出鏡為 A 鏡子(T=2.7%對 1083nm, T=1.6%對 1086 nm , T=74.3%對 1064nm)。1083nm、
1086nm、1064nm 三個波長的出現與輸出鏡的鍍膜有關係，由圖 5.8 我們可以發 現當輸出波長為1064 nm 出現時，此時的輸出功率會比只有 1083nm 或 1086nm 出現時的輸出功率來的高。不過，在實驗中我們可以利用輸出鏡鍍膜的不均勻，
可以把輸出波長由 1064nm 轉到只剩 1083nm 和 1086nm。由圖 5.4 可以知道 1086nm 及 1083nm 的自發放射強度比為 2:3。因此，實驗常會產生 1083nm 及 1086nm 雙波長雷射產生。圖5.9 是輸入功率對輸出功率的作圖，此以 B 鏡子(T=8%
對1083nm, T=5% 對 1086 nm)作為輸出鏡。由圖 5.8 可以知道當輸入功率小於 6W 時，其輸出波長為 1086 nm；但是，當輸入功率大於 6W 時，1083nm 的波長就開
始出現了。當輸入功率為 6~10W 時，此時會產生 1083nm 及 1086nm 雙波長的雷 射。另一方面，對輸出功率來說 1083nm 波長的輸出功率隨著輸入輸功率增加而 增加，但對 1086nm 波長的輸出功率卻隨著輸入輸功率增加而減少。但是，對於 總輸出功率仍是率隨著輸入輸功率增加而增加，在最大輸入功率為 12.5 W 時，
可以得到約 3.7W 的輸出功率。
5.2-3 結論
綜合以上實驗結果，1083nm的Nd：GdVO4雷射是一個效率不錯的雷射。當 最大輸入功率為12.5 W，對A輸出鏡(T=2.7%)可得到 3.4W的輸出功率且其斜率 為 30.1 %。並可以利用在共振腔內放etalon來改變輸出波長。輸出波長可以從 1082.34nm調到 1083.64nm，且當輸出波長為 1082.56nm時有相對最大輸出功率。
當出入功率為5.2W時，我們轉動etalon的角度可以得到 1.1W的相對最大輸出功率 且其波長為 1082.56nm。1083nm的雷射在很多的科學研究當中都會使用到，現在 有效能更佳的1083nm的Nd：GdVO4雷射相信對未來的科學研究有非常大的幫助。