第二章 Nd:YAG 及 Nd:YVO 4 兩晶體特性之比較
2.2 Nd:YAG 及 Nd:YVO 4 兩晶體之吸收光譜分析
我們選用摻雜釹離子濃度皆為 1.1 at. %，長度分別為 15 mm 與 5 mm 的兩種 Nd:YAG 晶體作吸收光譜的量測與分析比較。其兩表面鍍膜皆為 對波長 946 nm 與 473 nm 的抗反射鍍膜(AR, R<0.25%)及對波長 808 nm 高穿透率鍍膜(HT, T>95%)。所得的結果如圖 2.2.1，很顯然地，長度 15mm 的 Nd:YAG 晶體在 808 nm 吸收率較好，吸收率達到 95%，其譜線寬度 (Absorption Bandwidth)亦較寬。長度 5 mm 的晶體吸收率僅 58.4%。然 而，在準三能階雷射中，晶體的長度將增加熱能的累積，並造成嚴重的
反推出此四個晶體在峰值(805 nm)的吸收係數分別為:
0.2%
2.83 cm-1、
0.4%
4.26 cm-1、
0.6%
5.66 cm-1及
0.8%
6.11 cm-1。若我們將雷射晶體最 佳的吸收率訂在 90%，則由以上所得的吸收係數可以推導出各濃度晶體 的最適合長度分別為:L
0.2%
8.136 mm、L
0.4%
5.405 mm、L
0.6%
4.068 mm、L
0.8%
3.483 mm，由此我們可以得到 Nd:YVO4晶體吸收率 90%時，晶體濃度與晶體最佳長度的關係圖，如圖 2.2.6。
而 Nd:YVO4 晶體也有很強的偏振吸收特性，是不可以忽略的。我 們以摻釹離子濃度 0.2 at. %的 Nd:YVO4晶體作不同偏振方向的吸收光 譜的量測，所得的結果如圖 2.2.7。由圖中可以看出，Nd:YVO4 晶體在 波長 808 nm 附近 π 偏振與 σ 偏振的比較。明顯的 π 偏振在波長 808 nm 附近有較高的吸收峰值與較寬的譜線帶。
600 700 800 900 1000 0
20 40 60 80 100
Absorptin (%)
Wave Length (nm)
5 mm 15mm
圖 2.2.1：不同長度 Nd:YAG 晶體在 808 nm 附近吸收率之比較圖
700 750 800 850 900
0 20 40 60 80 100
Absorption (%)
Wavelength (nm)
圖 2.2.2：摻雜釹離子濃度 0.2 at.%的 Nd:YVO4晶體吸收光譜圖
700 750 800 850 900 0
20 40 60 80 100
Wavelength (nm)
圖 2.2.3：摻雜釹離子濃度 0.4 at.%的 Nd:YVO4晶體吸收光譜圖
700 750 800 850 900 0
20 40 60 80 100
Absorption (%)
Wavelength (nm)
圖 2.2.4：摻雜釹離子濃度 0.6 at.%的 Nd:YVO4晶體吸收光譜圖
700 750 800 850 900 0
20 40 60 80 100
Wavelength (nm)
圖 2.2.5：摻雜釹離子濃度 0.8 at.%的 Nd:YVO4晶體吸收光譜圖
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0
2 4 6 8 10
Crystal Length (mm)
Crystal Doping Concentration (%)
圖 2.2.6：Nd:YVO4晶體濃度與晶體最佳長度的關係圖
700 750 800 850 900 0
20 40 60 80 100
A b so rp tio n ( % )
Wavelength (nm)
圖 2.2.7：摻釹離子濃度 0.2 at. %的 Nd:YVO4晶體之π 偏振與 σ 偏振 吸收光譜比較圖
2.3 Nd:YAG 及 Nd:YVO4兩晶體之螢光光譜分析
4F5/2
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
920 930 940 950 9601040 1050 1060 1070 1080 10901300 1320 1340 1360 1380
圖 2.3.2：Nd:YAG 螢光譜線圖
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
π-polarization
σ -polarization
圖 2.3.3：Nd:YVO4晶體之螢光光譜圖
1050 1060 1070 1080 1090 1100
Intensity (a.u.)
Wavelength (nm)
圖 2.3.4：Nd:YVO4晶體在主峰 1064 nm 附近之 π 偏振與 σ 偏振
螢光譜線比較圖
第三章 Nd:YAG 之準三能階雷射
3.1 導論我們以圖 3.1.1 準三能階雷射的簡化示意圖來說明此能階的特性，
從圖中可以看出由於下能階與基態能階非常接近，其能階差
E
≧KT
， 根據波茲曼分布原理(Boltzmann distribution law)，下能階的電子濃度N
1的計算式可表示為：
Ground State Absorption Band
Upper Level
Lower Level
△E≧KT N
1Absorption Emission
Ground State Absorption Band
Upper Level
Lower Level
△E≧KT N
1Absorption Emission
圖 3.1.1：準三能階雷射的簡化示意圖
3.2 波長 946 nm 之 CW 雷射特性
圖 3.2.1 為波長 946 nm 雷射的架構圖。共振腔是由表面鍍膜的增益 介質與平面輸出耦合鏡所構成。我們使用摻雜釹離子濃度 1.1 at. %、長 度 2 mm、截面積 3×3 mm2的 Nd:YAG 晶體做為增益介質。Nd:YAG 晶 體 的第 一面 鍍上對 波 長 946 nm 與 473 nm 的 高 反 射率 鍍膜 (HR, R>99.8%)及對波長 808 nm 與 1064 nm 的高穿透率鍍膜(HT, T>95%)；晶 體的第二面則鍍上對波長 946 nm 與 1064 nm 的抗反射鍍膜(AR, R<0.2%)。我們分別使用 3 面對 946 nm 有不同反射率的平面鏡作為輸出 耦合鏡，分別為 93%、95%與 97%。激發光源為 LUMICS 20-W 808-nm 光纖耦合半導體雷射，輸出光纖芯蕊直徑為200 μm，可操作在連續或脈
束直徑大小為200 μm 的激發光源有較小的激發功率閥值(約 1.9 W)，相 對雷射光轉換效率較佳，可達 20%。而以激發光束直徑大小 300 μm 的 激發光源有較大的激發功率閥值（約 5.2 W），且相對雷射光轉換效率較 差，約 18%。
Coupling Lens F1 F2
Nd:YAG
Output Coupler
Laser Diode Coupling Lens
F1 F2
Nd:YAG
Output Coupler
Laser Diode
Laser Diode LUMICS 20 W， Core diameter:200μm Pumping Spot Size 100 μm, 140 μm, 200 μm, 300 μm, 400 μm Nd:YAG 1.1% doped 3*3*2mm3
S1: HR @ 946 nm, 473 nm，HT@808 nm,1064 nm S2: AR@ 946nm, 473 nm
0 4 8 12 16 20 24 0
1 2 3 4
Output Power (w)
Input Power (w)
93%
95%
97%
圖 3.2.2：CW 雷射輸出耦合鏡反射率大小對波長 946 nm 雷射 輸出功率關係圖
0 5 10 15 20 25
0 1 2 3 4
Output Power (w)
Input Power (w)
200um 300um
圖 3.2.3：CW 雷射激發光束直徑大小對波長 946 nm 雷射 輸出功率關係圖
3.3 波長 946 nm 之脈衝雷射特性
0 5 10 15 20 25 0
1 2 3 4 5
Output P owe r ( w)
Input Power (w)
93%
95%
97%
圖 3.3.1：脈衝光激發雷射輸出耦合鏡反射率大小對波長 946 nm 雷射 輸出功率關係圖
0 5 10 15 20 25 0
1 2 3 4 5
Output Power (w)
Input Power (w)
100um 140um 200um 300um 400um
圖 3.3.2：脈衝激發光束直徑大小對波長 946 nm 雷射輸出功率關係圖
100 200 300 400 0
1 2 3 4 5 6
Output power (w)
The diameter of pump spot ( m)
圖 3.3.3：脈衝激發光束直徑大小與輸出功率的關係圖
3.4 倍頻藍光雷射之特性
我們知道選擇適當的非線性倍頻晶體，對腔內倍頻之固態雷射而言 是相當重要的，因為如此才能產生較高效率的倍頻光輸出。我們比較了 BIBO 與 LBO 兩晶體，發現 BIBO 晶體的非線性光學係數(nonlinear optical coefficients
d
eff )大約是 LBO 晶體的三倍，因此，我們以 BIBO 晶 體做為波長 946 nm 的倍頻晶體將可得到較佳的光學轉換效率。Coupling Lens
Laser Diode LUMICS 20 W， Core diameter:200μmPumping Spot Size 300 μm
Nd:YAG 1.1% doped 3*3*2mm3
S1: HR @ 946 nm, 473 nm，HT@808 nm,1064 nm S2: AR@ 946nm, 473 nm
BIBO 2*2*5 mm3 ， Type-Ι，
18.3
0、 90
00 5 10 15 20 25 0
400 800 1200 1600 2000
Output Power (mw)
Input Power (w)
Pulse Pumping CW Pumping
圖 3.4.2：脈衝光與連續光波激發 Nd:YAG 晶體之藍光雷射 輸出功率比較圖
第四章 Nd:YVO
4之四能階雷射
4.1 導論相較於準三能階，四能階雷射其下能階之能量遠大於基態能階，如 圖 4.1.1。且下能階的自發輻射生命期(Spontaneous lifetime)很短，使得 經激發輻射躍遷的電子在下能階的分布量趨近於零，因而電子容易達成
Ground State Absorption Band
Upper Level
Lower Level
△E>>KT N
1Absorption Emission
Ground State Absorption Band
Upper Level
Lower Level
△E>>KT N
1Absorption Emission
圖 4.1.1：四能階雷射的簡化示意圖
4.2 波長 1064 nm 及倍頻轉換 532 nm 綠光雷射之特性
mm2，長度 2 mm 的 YVO4配上摻雜釹離子濃度 0.2 at. %、長度 6 mm 的 Nd:YVO4 擴散鍵結(diffusion-bond)晶體所構成。倍頻晶體為長度 10 mm，截面 3×3 mm2的 Type-II KTP 晶體，切角為
90
0， 23.5
0。第一 面鍍上對波長 1064 nm 及波長 532 nm 抗反射鍍膜(AR, R<0.2%)，第二 面鍍膜則鍍上對波長 1064 nm 的高反射率鍍膜(HR, R>99.9%)以及對波 長 532 nm 的高穿透鍍膜(HT, T>97%)。共振腔長度 2.8 cm。激發光源為 OPTO POWER CORPORATION 15-W 808-nm 光纖耦合半導體雷射，可 連接輸出控制器調整連續或脈衝激發雷射的模式。而其輸出光纖芯蕊直Coupling Lens
Laser Diode
1：1 M
3 cm Nd:YVO 4
OC
Laser Diode LUMICS 20 W， Core diameter:200 μm Pumping Spot Size 200 μm
Nd:YVO4 0.4 at. % doped 3*3*6 mm3
S1，S2: AR @ 1064 nm，HT@808 nm M HR@1064 nm,532 nm ，HT@808 nm
0 5 10 15 20 25 0
2 4 6 8 10 12
Output Power (w)
Input Power (w)
圖 4.2.2：波長 1064 nm 雷射輸出功率圖
Laser Diode M
Nd:YVO
4+YVO
42.8cm
KTP 2：1
Laser Diode 1. LUMICS 20 W， Core diameter:200 μm 2. LUMICS 20 W， Core diameter:1000 μm Pumping Spot Size 100 μm
Nd:YVO4+YVO4 3*3*2 mm3 YVO4+3*3*6mm3 Nd:YVO4
0.2 at. % doped
M ROC1= -10 cm，ROC2= 5 cm S1：HT@808 nm
0 4 8 12 16 20 0.0
0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
Output Power (w)
Input Power (w)
圖 4.2.4：倍頻綠光雷射輸出功率圖
0 2 4 6 8 440
460 480 500
Ture pulse width ( s)
Input power (W)
100 m 500m
圖 4.2.5：激發光束直徑大小對波長 532 nm 綠光雷射輸出之影響圖
500 μ m 100 μ m
500 μ m 100 μ m
圖 4.2.6：激發光束直徑大小 500 μm 與 100 μm 之綠光雷射脈衝 波形比較圖
第五章 雙波長雷射
為增益介質。Nd:YAG 晶體的第一面鍍上對波長 946 nm 與 473 nm 的高
nm 的雷射共振腔改為共用一面輸出耦合鏡。其架構如圖 5.2.2。除了輸 出耦合鏡外，其他組件皆與前述相同。在此架構下，共振腔腔長 1.5 cm。
Coupling Lens
Laser Diode LUMICS 20W Core diameter：200um Pumping Spot Size 300 μm S2: AR@946nm, 1064 nm
Coupling Lens
5.3 實驗結果與討論
33%。
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0.0
1.5 3.0 4.5 6.0
O u tp u t p o w e r ( W)
Cavity length (cm)
Total 1064 nm 946 nm
圖 5.3.1：平面耦合輸出鏡 OC2 為對波長 1064 nm 反射率 R=10%之雷射 輸出功率圖
2 3 4 5 0.0
1.5 3.0 4.5 6.0
Output Power (w)
Cavity Length (cm)
Total 946 nm 1064nm
圖 5.3.2：平面耦合輸出鏡 OC2 為對波長 1064 nm 反射率 R=20%之雷射
3 4 5 6 7 0.0
1.5 3.0 4.5 6.0 7.5
Output Power (w)
Cavity Length (cm)
Total 946 nm 1064nm
圖 5.3.3：平面耦合輸出鏡 OC2 為對波長 1064 nm 反射率 R=30%之雷射 輸出功率圖
0 10 20 30 0
2 4 6
Reflection at 1064 nm (%)
Output Power (w)
Total 946nm 1064nm
圖 5.3.4：平面耦合輸出鏡 OC2 對波長 1064 nm 不同反射率的鍍膜 與雷射輸出功率關係圖
0 4 8 12 16 20 24 0
1 2 3 4 5
Outpower (w)
Input Power (w)
Total 946nm 1064nm
圖 5.3.5：平面輸出耦合鏡對波長 1064 nm 高穿透率鍍膜(T>99%)之 雙波長雷射輸出功率圖
0 4 8 12 16 20 24 0
1 2 3 4 5 6
Output Power (w)
Input Power (w)
Total 946nm 1064nm
圖 5.3.6：平面輸出耦合鏡對波長 1064 nm 部分反射率 R=10%鍍膜之 雙波長雷射輸出功率圖
由以上雙波長的實驗結果可以看出，由於我們選用長度僅 2 mm 的
由以上的實驗結果與討論，充分說明了，此架構是一種相當有效 率、簡單、可調且有實用價值的雙波長雷射架構。對於雙波長雷射在各 方面的應用上，應可提供很大的助益[35-45]。
第六章 結論與展望
雷射是個令人感到興趣的課題[6][12][17]。再者，雙波長的倍頻或合頻 轉換，即波長 946 nm 倍頻轉換為波長 473 nm 藍光雷射，波長 1064 nm 倍頻轉換為波長 532 nm 綠光雷射，或波長 946 nm 加波長 1064 nm 合頻 轉換為波長 501 nm 綠光雷射，亦是值得研究的方向[16-17]。而更進一 步的三波長雷射之研究，更是我們迫不及待想從事的目標。相信以現有 基礎，應可在可預期的將來，對雙波長或三波長雷射的理論與架構，建 立出一套更完整而有系統的模式。
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