1mm Nd:YAG : HR @ 946nm
HT @ 808 & 1064nm
< 6 cm
808nm 20W LD array 3mm KNbO3 : HR @ 946nm HT @ 473nm Lens duct
圖 4.1 藍光雷射系統架構圖
如圖 4.1 所示，實驗室所開發之藍光雷射系統，係以一個 20W 的 laser diode array 為幫浦光源，經由 lens duct 聚焦之後將幫浦光源聚焦 在 Nd:YAG 雷射晶體上。整個藍光雷射系統是以一個長度為 1mm 的 Nd:YAG 黏合 3mm 長之 KNbO3，且以 type I 相位匹配達成腔內倍頻，
並各在其端面上鍍上適當之薄膜，以作為雷射系統的共振腔。整體而
言，實驗室所開發之藍光雷射系統長度小於 6cm，相當地輕巧且具有 商業上之競爭力。
如第三章所述，縱向激發之固態雷射，因具有較佳的激發光強度 及雷射輸出模態，故取代傳統以閃光燈橫向激發方式，成為目前高功 率固態雷射的主流技術[35]。再者，半導體雷射頻寬約集中在 1 至 5nm 的範圍，與固態雷射晶體之吸收頻寬相當，因此若以半導體雷射作為 幫浦光源，則可減少幫浦光光功率及熱效應，且提升固態雷射的穩定 性。實驗中是以 IMC 20W CW laser diode array 為幫浦光源，茲將其 特性表列於下：
表 4-1 Laser diode array 規格表
LD 型號 IMC - ARR26C020 最大輸出功率 20W CW @ 27A 臨界電流(threshold current) 5.5A @ 25oC
斜率效率(slope efficiency) 1.0 @ 25oC
發光區數量 46 個
發光區尺寸 80 µm
發光區間隔 200 µm
中心波長 808 nm
光束發散角 θ∥:10o θ⊥:40o
極化模態 TE mode
上述特性中之所以以 46 個發光區來達到 20W 功率輸出，主要是 受限於半導體雷射結構的問題。對單一發光區之半導體雷射而言，輸 出功率 4W、發光區寬度 500µm，為目前商業產品的極限。倘若將發 光區域再加寬，則此時光子除了在原有的光傳播方向上會獲得增益，
另外在垂直光傳播方向上之光子亦會獲得足夠的增益，進而造成雷射 光子的輸出方向不一致，因此若要有效地提升半導體雷射延光傳播方 向上的功率，必須將發光區做成陣列形式。由於此種 laser diode array 垂直方向發散角會遠大於水平方向發散角，因此可在其發光端面載上 微型柱狀鏡，以矯正垂直方向發散角。
另外，雷射二極體溫度會隨著幫浦電流上升而增加，使得雷射中 心波長也隨著溫度變化而飄移，如圖 4.2 所示，因此需靠良好的散熱 裝置，以維持半導體雷射穩定工作於室溫下。故實驗上以紅銅為散熱 基座，並於 laser diode array 與散熱基座間墊加導熱銦(Indium)片，以 防 laser diode array 因過熱而損壞。
10 15 20 25
806.0 806.5 807.0 807.5 808.0 808.5
Central wavelength (nm)
Pump current (A)
圖 4.2 Laser diode array 中心波長與幫浦電流之關係
在聚焦系統方面，除了主要藉由 lens duct 來耦合 laser diode array 的光源之外，實驗上先行以球面鏡加柱狀鏡之透鏡組來測試藍光雷射 系統，以便預估 lens duct 所需之耦合效率與尺寸。
實驗中選擇一焦距為 6.35mm 的柱狀鏡，並藉以矯正 laser diode array 在縱向上之大發散角，使其成為一平行光，然後再經由焦距為 15mm 之球面鏡將幫浦光源聚成一點。由於 laser diode array 垂直方向 發散角呈 40o，故需藉助焦距較小之柱狀鏡才能有效地將縱向幫浦光 聚小；然而 laser diode array 水平方向發散角呈 10o，且發光區寬達 1cm，故不利於使用焦距過小之透鏡。在考量橫向幫浦光束的性質 下，焦距為 15mm、孔徑(aperture)為 12.7mm 之球面鏡是一適當的選 擇。此外，柱狀鏡與球面鏡端面上皆鍍有對波長 808nm 的抗反射膜，
以減少幫浦光在鏡面上之反射損耗。
在 晶 體 選 擇 方 面 ， Nd:YAG 下 能 階 與 基 態 能 階 的 能 階 差 較 Nd:YVO4大一倍，且熱傳導率約為 Nd:YVO4三倍，如 2-2 節所述，
因此即使在高溫下，Nd:YAG 晶體依然能保持準三能階雷射特性。雖 然 KNbO3的溫度頻寬只有 0.3 oC-cm，且具有較大的分離角，但由於 其非線性係數很高，實驗上可以使用較佳的散熱系統及較短之晶體，
並將倍頻晶體溫度控制在±0.1 oC 的變化範圍內，以求有穩定且高功 率之倍頻光輸出，故本論文研究中，仍以 KNbO3為藍光雷射之非線 性晶體。
如之前所述，藍光雷射系統是以 Nd:YAG 晶體黏合倍頻晶體 KNbO3，並在其端面上鍍上適當之薄膜，以作為雷射系統的共振腔。
就共振腔部分而言，長度僅 4mm 屬於微晶體(microchip)雷射。實驗
設計上雖採用不穩定之平行式共振腔，但由於增益介質受熱後會有熱 效應，一來使得增益介質中間較周圍材料折射率高(thermal-optic effect)；另一方面，受激發的增益介質端面會因熱而膨脹，形成熱透 鏡效應(thermal-lens effect)，如圖 4.3 所示，因此基頻光仍可以有效的 在晶體中傳播並累積能量。
此外，若使用半對稱式共振腔，基頻光只在靠近幫浦光源端有最 小的尺寸(spot size)，且易隨著傳播距離增加而光尺寸變大，故不利於 產生高效率之倍頻光輸出。雖然折疊式共振腔能同時使得增益介質及 倍頻晶體上擁有最小之光尺寸，但因其體積過大、架構複雜，因此不 利於商業上應用。綜合上述，長度僅為 4mm 之平行式共振腔，仍為 產生高效率倍頻雷射之最佳選擇。
倍頻晶體
增益介質 倍頻晶體 增益介質
雷射光腰 雷射光腰
(a)不考慮熱透鏡效應 (b)考慮熱透鏡效應
圖 4.3 熱透鏡效應示意圖