Cr 4+ :YAG 飽和吸收體簡介

目前被廣泛使用的飽和吸收體是 Cr⁴⁺:YAG 固態晶體，除了具備以上 三個被動式 Q 開關的要件(基態能階吸收能力強、上能階的生命週期長、

基態能階的吸收截面積 > 上能階的吸收截面積)之外，尚有以下優點：

- 在 1µm 附近有很好的吸收率，能匹配摻釹晶體的放射光譜。

- 光學品質佳(亦即切換至 ON 時透明度高) - 輸出穩定

- 耐受性高 - 高損傷閾值 - 熱導係數高

因為具備上述優點，Cr⁴⁺:YAG 常被使用於以摻釹晶體為增益介質的被動 式 Q 開關雷射系統中。

Cr⁴⁺:YAG 飽和吸收體的吸收係數(α₀)與腔內能量(E_i)成反比，其關係 式如下所示：

α₀(E) = α₀ / (1+ E_i /E_s) (4-2) E_s = hv / σ_gs (4-3) E_s 是飽和狀態下的單位面積能量，是為定值。σ_gs 則是基態能階的吸收截 面積。因此，當腔內的能量愈大(即 E_i愈大)，飽和吸收體的吸收效率就愈 差，直到飽和吸收體無法再吸收入射光，此時，飽和吸收體會切換至透明 狀態，亦即 Q 開關 ON，讓自發輻射光子通過，並於腔內來回共振放大，

進而產生脈衝雷射。

然而，只要是介質，就一定會造成損耗，飽和吸收體亦不例外。無論 初始穿透率(T₀)多高的飽和吸收體，就算是切換至 ON(完全透明狀態)，仍 會 造 成 腔 內 最 基 本 的 能 量 損 耗 ， 此 一 損 耗 稱 為 殘 餘 吸 收 (residual absorption)，原因主要來自於兩方面：

- 基態能階的電子分布密度。當 Q 開關處於 ON(High-Q)時，基態能 階尚有電子存在，並吸收能量躍遷至激發態能階。

- 激發態能階的電子吸收能量後，往更高能階躍遷，此現象即是 Excited-State absorption (ESA)。

當 Q 開關處於 ON(High-Q)時，以上兩個現象皆會因電子吸收能量往高能 階躍遷，使飽和吸收體處於非飽和狀態，而造成腔內能量的基本損耗 (residual loss)。

圖 4-1 Q 開關動作示意圖

圖 4-2 主動式 Q 開關示意圖

圖 4-3 被動式 Q 開關示意圖 Laser crystal

Output coupler Input mirror

Q switch

Laser crystal

Output coupler Input mirror

Saturable absorber

表 4-1 各種 Q 開關技術優劣比較

圖 4-4 飽和吸收體穿透率與入射光能量關係圖

圖 4-6 飽和吸收體能階示意圖

Pump level

Upper state

σ

gs

τ

Ground state fast

slow

σ

es fast (ESA)

4.2 實驗架構 實驗架構 實驗架構 實驗架構

(1) 激發光源：806nm 二極體雷射

(2) 光纖直徑：400µm

(3) 增益介質：Nd:YLF (a-cut doping:0.8% 3x3x20 mm³, 3^o-wedged)

(4) 被動式 Q 開關：Cr⁴⁺:YAG 固態晶體(初始穿透率 T₀=80%、95%)

(5) 光學共振腔：腔長 5cm (凹平腔)

- 前鏡(Input mirror)：曲率為 50cm (鍍膜:對於 808nm 具高穿透特性，

對於 1.05µm 具高反射特性)

- 輸出耦合鏡(Output Coupler)：反射率為 50%、64%、70%、80%、

90%(鍍膜:對於 1.05µm 具反射特性)

圖 4-7 被動式 Q 開關雷射(PQS laser)實驗架構圖

Laser diode

Coupling lens Nd:YLF

Cr⁴⁺:YAG

Output coupler Input mirror

σ−polarization (1053nm) π−polarization (1047nm) b

c

φ

4.3 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論 實驗結果與討論

本實驗的增益介質使用的是 3^o-wedged 的 Nd:YLF 晶體，如第三章所 述，當增益介質使用 3^o-wedged 的 Nd:YLF 晶體時，無論前鏡的曲率與輸 出鏡(OC)的反射率，最大輸出時的波長均為 1053nm (σ 偏振方向)。其原 因可能是：晶體因為切了 3^o-wedged，使得 π 偏振方向(1047nm)與 σ 偏振 方向 (1053nm)離開晶體的出射角度明顯不同，因此，我們可以藉由調整 OC 的傾角將純 π 偏振方向(1047nm)與純 σ 偏振方向(1053nm)選擇出來。π 偏振方向(1047nm)的增益雖然比 σ 偏振方向(1053nm)大，但因出射光角度 較大，造成損耗較大；而 σ 偏振方向(1053nm)的增益雖然比 π 偏振方向 (1047nm)小，卻因出射光角度較小而損耗較小，使得 σ 偏振方向(1053nm) 的總增益比 π 偏振方向(1047nm)大，因此，σ 偏振方向(1053nm)勝出。實 驗結果亦顯示，無論是連續波雷射或是脈衝雷射，σ 偏振方向(1053nm)的 輸出功率均高於 π 偏振方向(1047nm)。此外，脈衝雷射架構畢竟是在連續 波雷射架構中置入 Q 開關元件，或多或少會造成雷射共振腔的損耗，因 此，以同一偏振方向而言，脈衝雷射的輸出功率自然小於連續波雷射。

當飽和吸收體的初始穿透率(T₀)愈大時，可視為共振腔內的損耗愈 小，因此，輸出功率愈高。飽和吸收體的初始穿透率愈大，也表示其愈易 達到吸收飽和的狀態，亦即 Q 開關的切換頻率愈高(脈衝重複率愈高)。飽 和吸收體的初始穿透率愈大，晶體能吸收的能量愈少，亦表示晶體內居量

反轉的電子亦愈少，因此，當 Q 開關切換至 ON 時，釋放能量的速度愈慢 (脈衝寬度愈寬)。綜上所述，我們可以得到以下推論：大體而言，飽和吸 收體的初始穿透率愈大，輸出功率會愈大、脈衝重複率會愈高、但脈衝寬 度會愈寬、平均脈衝能量會愈低、尖峰功率亦會愈低。

此外，並非輸出耦合鏡 (OC)的反射率愈高，雷射的輸出功率就愈大，

而是在輸出鏡反射率為某一最佳值時有最大輸出功率。其原因是因為：

- 當輸出鏡反射率愈小時，腔內損耗較大，因此，輸出能量較低。

- 當輸出鏡反射率愈大時，能量因大部份封存於共振腔內，以致輸出 能量較低。

1. 連續波雷射與被動式 連續波雷射與被動式 連續波雷射與被動式 Q 開關雷射的輸出功率比較 連續波雷射與被動式 開關雷射的輸出功率比較 開關雷射的輸出功率比較 開關雷射的輸出功率比較

無論是連續波雷射或是被動式 Q 開關雷射，σ 偏振方向(1053nm)的輸 出功率均比 π 偏振方向(1047nm)高。以同一偏振方向而言，被動式 Q 開關 雷射因置入 Q 開關造成共振腔損耗，所以輸出功率小於連續波雷射。此 外，飽和吸收體的初始穿透率(T₀)愈高，表示腔內損耗愈小，所以輸出功 率愈高(參照圖 4-8)。

以 π 偏振方向(1047nm)而言，無論是連續波雷射或是被動式 Q 開關雷 射架構，均在輸出耦合鏡反射率為 80%時有最大輸出功率。

以 σ 偏振方向(1053nm)而言，在連續波雷射或飽和吸收體的初始穿透

率(T₀)為 95%的被動式 Q 開關雷射架構下，輸出鏡的反射率愈大，輸出功

率愈大；而在飽和吸收體的初始穿透率(T₀)為 80%的配置下，則在輸出耦 合鏡反射率為 70%時有最大輸出功率。

2. 被動式 被動式 被動式 Q 開關雷射的脈衝重複率比較 被動式 開關雷射的脈衝重複率比較 開關雷射的脈衝重複率比較 開關雷射的脈衝重複率比較

如前所述，當飽和吸收體的初始穿透率(T₀)愈大，也表示其愈易達到 吸收飽和的狀態，亦即 Q 開關的切換頻率愈高(脈衝重複率愈高)。

實驗亦顯示，飽和吸收體的初始穿透率(T₀)為 95%的被動式 Q 開關雷 射，其脈衝重複率高於初始穿透率(T₀)為 80%的配置(參照圖 4-9)。且在相 同的配置下(前鏡曲率、輸出耦合鏡反射率、飽和吸收體初始穿透率皆相 同)，σ 偏振方向(1053nm)的重複率會高於 π 偏振方向(1047nm)。

3. 被動式 被動式 被動式 Q 開關雷射的脈衝寬度比較 被動式 開關雷射的脈衝寬度比較 開關雷射的脈衝寬度比較 開關雷射的脈衝寬度比較

如前所述，飽和吸收體的初始穿透率愈大，晶體能吸收的能量愈少，

亦表示晶體內居量反轉的電子亦愈少，因此，當 Q 開關切換至 ON 時，釋 放能量的速度愈慢(脈衝寬度愈寬)。

實驗亦顯示，飽和吸收體的初始穿透率(T₀)為 95%的被動式 Q 開關雷 射，其脈衝寬度大於初始穿透率(T₀)為 80%的配置(參照圖 4-10)。

4. 被動式 被動式 被動式 Q 開關雷射的脈衝能量比較 被動式 開關雷射的脈衝能量比較 開關雷射的脈衝能量比較 開關雷射的脈衝能量比較

如前所述，無論是連續波雷射或是被動式 Q 開關雷射，σ 偏振方向

言，飽和吸收體的初始穿透率(T₀)愈高，脈衝重複率愈高，且因腔內損耗 愈小，而使輸出功率愈高。由以下算式可得到雷射輸出的平均脈衝能量：

脈衝能量(J) = 輸出功率(W) / 脈衝重複率(Hz) (4-4) 實驗顯示，飽和吸收體的初始穿透率(T₀)為 80%的被動式 Q 開關雷 射，其平均脈衝能量大於初始穿透率(T₀)為 95%的配置(參照圖 4-11)。亦 即，飽和吸收體的初始穿透率(T₀)愈高，平均脈衝能量愈低。此外，在相 同的配置下，σ 偏振方向(1053nm)的平均脈衝能量大於 π 偏振方向 (1047nm)。

5. 被動式 被動式 被動式 Q 開關雷射的尖峰功率比較 被動式 開關雷射的尖峰功率比較 開關雷射的尖峰功率比較 開關雷射的尖峰功率比較

如前所述，飽和吸收體的初始穿透率愈大，脈衝寬度愈寬，平均脈衝 能量愈低。由以下算式可得到雷射脈衝的尖峰功率：

尖峰功率(W) = 脈衝能量(J) / 脈衝寬度(s) (4-5) 實驗顯示，飽和吸收體的初始穿透率(T₀)為 80%的被動式 Q 開關雷 射，其尖峰功率大於初始穿透率(T₀)為 95%的配置(參照圖 4-12)。亦即，

飽和吸收體的初始穿透率(T₀)愈高，尖峰功率愈低。

6. 被動式 被動式 被動式 Q 開關雷射在 被動式 開關雷射在 開關雷射在 π 偏振方向 開關雷射在 偏振方向 偏振方向 偏振方向(1047nm)與 與 與 與 σ 偏振方向 偏振方向 偏振方向 偏振方向 (1053nm)的穩定性比較 的穩定性比較 的穩定性比較 的穩定性比較

實驗顯示，在同一配置下，被動式 Q 開關 σ 偏振方向(1053nm)的脈衝

寬 度 與 π 偏 振 方 向 (1047nm) 差 不 多 ， 但 重 複 率 會 高 於 π 偏 振 方 向 (1047nm)，且脈衝輸出更穩定(參照圖 4-13)。亦即，σ 偏振方向(1053nm) 的表現優於 π 偏振方向(1047nm)。

圖 4-8 連續波雷射與被動式 Q 開關雷射(初始穿透率為 80%、95%)在 π 偏 振方向(1047nm)與 σ 偏振方向(1053nm)的輸出功率比較圖。

Reflectivity of output coupler (%)

40 50 60 70 80 90 100

O u tp u t p o w er ( W )

0 1 2 3 4 5 6

7

σ polarization, T₀=80%

σ polarization, T₀=95%

π polarization, T₀=80%

π polarization, T₀=95%

σ polarization, CW π polarization, CW

圖 4-9 被動式 Q 開關雷射(初始穿透率為 80%、95%)在 π 偏振方向(1047nm) 與 σ 偏振方向(1053nm)的脈衝重複率比較圖。

Reflectivity of output coupler (%)

40 50 60 70 80 90 100

P u ls e re p et it io n r at e (k H z)

0 10 20 30 40 50

σ polarization, T₀=80%

σ polarization, T₀=95%

π polarization, T₀=80%

π polarization, T₀=95%

圖 4-10 被動式 Q 開關雷射(初始穿透率為 80%、95%)在 π 偏振方向 (1047nm)與 σ 偏振方向(1053nm)的脈衝寬度比較圖。

Reflectivity of output coupler (%)

40 50 60 70 80 90 100

P u ls e w id th ( n s)

0 20 40 60 80 100 120 140

σ polarization, T₀=80%

σ polarization, T₀=95%

π polarization, T₀=80%

π polarization, T₀=95%

圖 4-11 被動式 Q 開關雷射(初始穿透率為 80%、95%)在 π 偏振方向 (1047nm)與 σ 偏振方向(1053nm)的脈衝能量比較圖。

Reflectivity of output coupler (%)

40 50 60 70 80 90 100

P u ls e en er g y ( µ J)

0 100 200 300 400 500

σ polarization, T₀=80%

σ polarization, T₀=95%

π polarization, T₀=80%

π polarization, T₀=95%

圖 4-12 被動式 Q 開關雷射(初始穿透率為 80%、95%)在 π 偏振方向 (1047nm)與 σ 偏振方向(1053nm)的尖峰功率比較圖。

Reflectivity of output coupler (%)

40 50 60 70 80 90 100

P ea k p o w er ( k W )

0 5 10 15 20 25 30 35

σ polarization, T₀=80%

σ polarization, T₀=95%

π polarization, T₀=80%

π polarization, T₀=95%

圖 4-13 被動式 Q 開關雷射在 π 偏振方向(1047nm)與 σ 偏振方向(1053nm) 的穩定性比較圖。

0

0

(a) σpolarization 500µs/div (b) σpolarization ^20ns/div

(c) πpolarization 500µs/div (d) πpolarization ^10ns/div

~8ns

~7ns

4.4 結論 結論 結論 結論

大體而言，飽和吸收體的初始穿透率愈大，輸出功率雖會愈高、卻會 因重複率愈高、脈衝寬度愈寬、而造成平均脈衝能量與尖峰功率會愈低。

因此，在設計共振腔的架構時，應針對以上特性一併考慮，亦即：

- 飽和吸收體的初始穿透率愈大，愈易實現輸出功率高、重複率高的 脈衝雷射，但缺點是平均脈衝能量與尖峰功率會愈低。

- 飽和吸收體的初始穿透率愈小，愈易實現高脈衝能量、高尖峰功率 的脈衝雷射，但缺點是輸出功率與重複率會愈低。

本實驗結果亦與上述推論一致。實驗顯示，當置入 Cr⁴⁺:YAG 飽和吸收體 時，初始穿透率(T₀)=95%的配置，其輸出功率、重複率、脈衝寬度均大於 T₀=80%的配置；而其脈衝能量、尖峰功率則均小於 T₀=80%的配置。此外，

更重要的是，實驗顯示了 σ 偏振方向(1053nm)在被動式 Q 開關的脈衝雷射 架構下，表現得比 π 偏振方向(1047nm) 更穩定。

在文檔中 摻釹氟化釔鋰晶體在連續波與被動式Q開關雷射之研究 (頁 58-79)