圖 4.2 為平凹腔的單端激發式被動 Q 開關自轉換受激拉曼雷射實驗裝置圖。
激發光源為2.5W，其波長為 808nm 的光纖耦合半導體雷射，光纖的數值孔徑為 0.16，核心孔徑為 200µm。激發光源的焦距為 16.5mm，耦合效率為 90％，輸出 光源經耦合鏡聚焦組聚焦至增益介質晶體上，可得到大小約為100µm 的激發光 點。輸入耦合鏡M1 是一個焦距為 15mm 的凹面鏡，其對輸出波長有高反射 ( R>99.8% )，且對激發光源波長有高穿透( T >90%)的鍍膜。
我們分別以(1) Nd離子摻雜濃度為 1％，長度為 6 mm，a-cut的Nd:GdxY1-xVO4
晶體(X=0.2, 0.4, 0.6, 0.8) (2) Nd離子摻雜濃度為 1％，長度為 2.5 mm，c-cut的 Nd:YVO4晶體 (3) Nd離子摻雜濃度為 0.25％，長度為 9 mm，a-cut Nd:YVO4的晶 體。我們以這六顆晶體作為增益介質，且在這些晶體的兩端面都有針對1064nm 做抗反射的鍍膜(R<0.2%)。以Cr4+:YAG晶體當飽和吸收體，其長度為 2mm並有 對1064nm的穿透膜(T >70%)，且在此晶體的兩面皆有對Stoke波長抗反射鍍膜 (R<0.2%)。在輸出耦合鏡M2 方面，為一平面鏡，鍍有對波長 1064nm (R>99.8%) 及1175nm(R=55%)的反射膜。此實驗的雷射共振腔平均長度約為 10mm左右。
圖 4.3 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。我們並使用 LeCroy 數位 示波器(avepro7100,10Gs/sec, 1GHz 頻寬)和快速 PIN 光檢器來測量脈衝的時間行 為。
4.2-2 實驗結果
以平凹腔的實驗架構，來研究以Nd摻雜釩酸鹽形成的Nd:GdxY1-xVO(X= 0.2, 0.4, 0.6, 0.8)、c-cut的Nd:YVO4和a-cut Nd:YVO4等的六顆晶體作為增益介質時，
所產生1175nm Stoke波長的拉曼雷射。首先，研究以這六顆晶體作增益介質，選
擇鍍有反射膜的平面鏡為耦合輸出鏡的1064nm雷射（R=85%）。實驗結果發現，
除了c-cut的Nd:YVO4晶體的輸出功率較低外，其他晶體的輸出功率均相差在5%
左右。但是，只有a-cut Nd:YVO4的晶體、c-cut的Nd:YVO4晶體、Nd:Gd0.8Y0.2VO4
及Nd:Gd0.6Y0.4VO4四種晶體能成功產生1175nm的拉曼訊號。其中又以c-cut的 Nd:YVO4、 Nd:Gd0.8Y0.2V4及Nd:Gd0.6Y0.4VO4三種晶體的輸出功率較佳。這是因 為c-cut的Nd:YVO4晶體、Nd:Gd0.8Y0.2V4及Nd:Gd0.6Y0.4VO4三種晶體有較小的激發 輻射有效面積，能夠有效提高被動式Q開關的效率，成功產生效率較好的拉曼雷 射。因此，也可以說c-cut的Nd:YVO4、Nd:Gd0.8Y0.2VO4以及Nd:Gd0.6Y0.4VO4三種 晶體在自發性拉曼散射雷射中，有較好儲存能量的能力。
圖4.4 為 1175nm Stoke波長的平均輸出功率對入射激發光源功率的作圖。當 入射功率為2.2Ｗ時，以c-cut的Nd:YVO4為增益介質可得到最大功率約為83 m W。當入射功率為2.2Ｗ時，以Nd:Gd0.8Y0.2VO4為增益介質可得到最大功率約為 180mW。當入射功率為 2.2Ｗ時，若以Nd:Gd0.6 Y0.4VO4為增益介質可得到最大功 率約為110 mW。在光轉換效率方面，則分別為 3.8％（c-cut的Nd:YVO4）、8％
（Nd:Gd0.8Y0.2VO4）和5％（Nd:Gd0.6Y0.4VO4）；若拿本實驗中的光轉換效率8%
與Nd:KGd(WO4)2的0.7％相比，已高出許多。圖 4.5 為三種拉曼晶體的重複率對 入射激發功率所作的關係圖。由圖4.5 能得到當入射激發光功率增加時，重複率 也會隨著減少；而c-cut的Nd:YVO4、 Nd:Gd0.8 Y0.2VO4與Nd:Gd0.6Y0.4VO4三顆晶 體的最大重複率分別為25kHz、66kHz和 38k Hz。圖 4.6 為三種拉曼晶體的瞬間 脈衝能量對入射激發功率所作的關係圖。因c-cut的Nd:YVO4、Nd:Gd0.8Y0.2 VO4、 Nd:Gd0.6Y0.4VO4三晶體的激發輻射有效面積的大小不同；其中又以c-cut的
Nd:YVO4晶體的最小，其次是Nd:Gd0.6Y0.4VO4，Nd:Gd0.8Y0.2VO4的最大。因此，
Nd:Gd0.8Y0.2VO4晶體所產生自轉換受激性拉曼雷射的瞬間脈衝能量為三晶體中 最低的。但是，由圖4.4 可得Nd:Gd0.8Y0.2VO4晶體的轉換功率卻比Nd:Gd0.6Y0.4VO4
晶體及c-cut的Nd:YVO4晶體好。
圖 4.7 為波長 1064mn對 1175nm的脈衝圖。拉曼雷射的脈衝寬度並沒有隨著
輸入功率的增加而改變。對Nd:Gd0.8Y0.2VO4與Nd:Gd0.6Y0.4VO4晶體來說，其大小 約為600~800ps，最大的瞬間脈衝功率分別約為 3.4kW及 3.3kW。對c-cut的 Nd:YVO4晶體，其大小約為1.7~2.5 ns，最大的瞬間脈衝功率約為 1.95 kW；就瞬 間脈衝功率來說，以Nd:Gd0.8Y0.2VO4晶體的效能最好。
4.2-3 結論
用a-cut的Nd:GdXYX-1VO4有較小的激發輻射有效面積的優點，可以成功作出 1175nm Stoke波長的拉曼雷射。以Nd:Gd0.8Y0.2VO4晶體與Nd:Gd0.6Y0.4VO4晶體所 構成的單端激發式被動Q開關自發性拉曼雷射能產生皮秒等級的脈衝寬度。在以 a-cut的Nd:Gd0.8Y0.2VO4晶體為增益介質時，能得到8.2%的光轉換效率，其光轉 換曲線斜率為15%。總結來說，當入射激發功率為 2.2W時，可得到平均輸出功 率為180mW且重複率為 66kHz，最大的瞬間脈衝功率大於 3.4kW。以上的實驗 結果，讓我們知道，對1175 nm Stoke波長的拉曼雷射來說，a-cut 的
Nd:GdXYX-1VO4是一個很好的增益介質。
Gd-composition x
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Stimulated emission cross section ratio σ/σYVO4 0.4