實驗架構與結果分析

(1) 實驗架構

本實驗架構，如圖 3.1 所示。

1.雷射二極體

在 IR 實驗中，我們使用 2 W 的高亮度(high brightness)雷射二極 體作為幫浦光源，其詳細資料如表 3-1 所示：

圖 3.1 Nd:YVO4實驗架構圖

雷射二極體

聚焦透鏡

散熱風扇

輸出耦合鏡

增益介質 光纖耦合透鏡

表 3-1 雷射二極體規格表

光束發散角

LD 型號 輸出功率

(W)

波長 (室溫,nm)

譜線寬度

(FWHM,nm)

θ

^||

θ

^⊥

Polaroid

X9816A-P7881 2 806.6 2.0 2

°

10

°

雷射二極體亮度 B 的定義為:

P：雷射輸出功率 A：二極體發光截面積

Ω

：二極體發光立體角

所謂高亮度雷射二極體，是指半導體在相同發光截面下能有較大 的雷射功率輸出，一般雷射二極體，100

µ

m 的發光區寬度約有 1 W 的輸出功率，本實驗使用的雷射二極體，於相同的發光面積下，有 2 W 的雷射輸出，故稱高亮度的雷射二極體。由於高亮度半導體增益 介質中的功率密度是一般雷射二極體的兩倍，故所產生的高熱需靠良 好的散熱裝置移除，因此使用較大的散熱基座，並於二極體與散熱基 座的界面塗以散熱膏或墊加導熱銦片等，以防止雷射二極體極因過熱 而損壞。此外，本實驗之雷射二極體在發光端面上皆載有橫向光纖耦 合透鏡(fiber-lens collimated)，以矯正其垂直方向發散角。

2.聚焦透鏡

自聚焦透鏡(GRIN lens)是個體積小、集光力強的聚焦透鏡，適當 的調整與雷射二極體及增益介質間的距離，能改變幫浦光點的模態及 焦點的位置達到與雷射共振腔模態最佳匹配的目的，減少多餘的熱產

= Ω A

B P

(3.1)

生以提升光對光的轉換效率。

0.29 pitch 的自聚焦透鏡，因聚光點極接近其輸出端面，即使 Nd:YAG 與透鏡間的距離小於 0.1 mm，也無法得到最佳的模態匹配 (mode matching)，如圖 3.2 (a)，且極易因擦撞而破壞 Nd:YAG 的高反 射鍍膜，故以 0.25 pitch 的自聚焦透鏡取代。如此透鏡與增益介質間 的距離增加，有助於最佳化雷射的模態匹配，如圖 3.2 (b)。

為了減少幫浦光進入聚焦透鏡的損失，我們在選擇聚焦透鏡，在 兩端選擇有鍍上 808 nm 抗反射鍍膜。

3.增益介質

長、寬都為 3 mm，厚度為 1 mm，摻雜濃度分別為 0.5 %、1 % 的 Nd:YVO₄ 晶體，靠近雷射二極體那端在 914 nm 波段鍍上高反射鍍 膜，並在 808nm、1064nm 與 1340nm 三個波段鍍上抗反射鍍膜。另 外一端在 914 nm 波段鍍上抗反射鍍膜。

4.輸出耦合鏡

圖 3.2 自聚焦透鏡聚光示意圖 (a)0.29 pitch , (b)0.25 pitch

(a) 0.29 pitch 自聚焦透鏡

增益介質

幫浦光束

0.25 pitch 自聚焦透鏡

(b)

增益介質

幫浦光束

使用的輸出耦合鏡曲率半徑為 51.8 mm，而其鍍膜為 914 nm 高 反射，與 1064 nm 及 1340 nm 抗反射，為了也是希望 914 nm 在共振 腔內共振。

5.雷射共振腔：

如圖 3.1，本實驗採取半對稱式共振腔(half symmetric cavity)。

考慮共振腔穩定性，定義穩定因子 g₁、g₂

其穩定條件為

其中 R1=∞，穩定因子 g

1為 1，(3.4)可變換如下

因此當不考慮熱透鏡效應(thermal-lens effect)時，共振腔長度 L 小於輸出透鏡的曲率半徑 R2，便是一穩定的共振腔。

要是考慮熱透鏡效應，R₁不為無窮大，帶入(3.4)式，這時共振腔 長度大於輸出耦合鏡的曲率半徑，也可能是穩定共振腔。

原先我們以為 914 nm 出光，但我們做完頻譜量測後，圖 3.3 所 示，我們可以發現，其激發輻射的波長並非準三能階系統的 914 nm，

而是四能階系統的 1064 nm。

1

1 R

1 L

g

= −

(3.2)

2

2 R

1 L

g

= −

(3.3)

1 g g

0 ≤

_{1 2}

≤

(3.4)

R2

L

0≤ ≤ (3.5)

原因探討

會出現 1064 nm 出光，而不是 914 nm 出光其原因可能如下

重複吸收損耗的影響

因為 Nd:YVO₄不管是在熱傳導性、或是下能階與基態能階的差 (見 2.2 節 Nd:YAG 與 Nd:YVO4雷射晶體)，比 Nd:YAG 都來的差，因 此熱效應比 Nd:YAG 來之嚴重，在重複吸收損耗影響大增下，使的準 三能階 914 nm 的臨界閥值上升，而四能階 1064 nm 並沒有重複吸收 損耗的問題，所以其臨界閥值並不會因此而上升，在這一來一往之 間，使的 914 nm 的臨界閥值比 1064 nm 來的大，因此 1064 nm 波長 較快得到增益，造成 1064 nm 出光。

重複吸收損耗的問題，可以靠降低雷射晶體溫度獲得解決，因此 我們下一個方向朝向的降低晶體溫度著手。

(2) 實驗架構

為了降低晶體溫度，我們採用致冷器來散熱，以下為溫控器電路 分析。

強度(a.u)

波長(nm)

-0.3 -0.25

-0.2 -0.15

-0.1 -0.05

0 0.05

800 850 900 950 1000 1050 1100 1064

圖 3.3 頻譜量測

溫控器的電路分析

如圖 3.4 所示，熱敏電阻(thermistor)安裝在增益介質旁監測其溫 度變化，因此離增益介質越近效果越好，而熱敏電阻在室溫 25℃其 電阻值為 10 KÙ，會隨著溫度升高而降低其電阻值。因此若增益介質 的溫度高於設定溫度時，造成熱敏電阻值的改變，使的電路的惠斯頓 (Wheatstone)電橋的電分壓不平衡，而有誤差電壓(error voltage : ÄV) 來驅動 INA118 的增益輸出，之後再由兩顆電晶體(2N3055+2N3569) 組成的達靈頓(Darington)電路予以放大電流。

原件及細部說明如下：

(a) INA118

為 一 體 積 小 、 低 功 率 、 精 密 的 差 額 儀 表 放 大 器 (differential instrumentation amplifier)，是溫控電路的主要原件，內部是由三個 OP 放大器組成差額儀表放大器電路(圖 3.5 所示)，其高輸入阻抗將不會

圖 3.4 增益介質溫控電路圖

3V<｜Vcc｜< 5V

A

對電阻式電橋造成負載效應。

而其增益為：

RG

1 50K Gain

= +

其中 RG 介於 50Ù 到 之間，所以 Gain 介於 2 到 1000 之間。

(b)溫度設定

由惠斯頓電橋中的 5 KÙ 可變電阻來對照熱敏電阻值，調整欲設 定的溫度。

(c)致冷器

我們使用的致冷器如表 3-2 所示，最大承受電流為 2.5A。

表 3-2 致冷器規格

I_max Th = 25℃ Dimensions (mm) (3.6)

圖 3.5 INA118 內部電路圖

(Amps) Q_max (Watts)

V_max (Volts)

ÄT_max

(⁰C) N A B C D 2.5 21.4 15.40 67 127 30 30 30 4

Th : 在熱端之溫度

I_max ：在 ÄT_max最大時的輸入電流 Qmax：在冷端最多可被吸收的熱 V_max：在 ÄT_max時的電壓

ÄTmax：冷端與熱端相差最大的溫度 N ：熱偶極(thermcouples)的數量 A、B、C、D：如圖 3-6 所示

(d)電源供應

我們用雙直流電源供應器(dual tracking DC power supply)，優點 是可直接讀取該儀表版上的電壓值、電流值，確知工作的情況。

圖 3.6 致冷器大小示意圖

除了以致冷器散熱外，我們還採用一片平面鏡(靠近 LD 那端鍍膜 為 808 nm AR，另一端 914 nm HR , 1064 nm 1340 nm 808nm AR)貼緊 增益介質(如圖 3.7 所示)，因為晶體最熱的地方是幫浦光入射點，因 此用平面鏡貼緊可以幫助晶體散熱(有複合式晶體的效果)。而其他實 驗原件除了增益介質(兩邊鍍膜改為 808 nm AR)外，都與前面實驗設 備相同。而其實驗結果依然是 1064 nm 出光。

原因探討

我們從實驗中發現致冷器的工作電流只有到 0.5 A，而那時銅座 溫度已經非常冰冷，可見晶體的熱並沒有完全散到銅座上，這原因可 能是晶體因為厚度只有 1 mm ，與銅座接觸面積太小所致。

而另一方面，雖然平面鏡貼上增益介質有幫助散熱的效果，但實 際上可能中間還是有空隙，效果有限，無法像複合式晶體散熱效果那 麼好。

綜合以上，除了採用上一個實驗散熱系統外，我們決定從加強增 圖 3.7 系統架構示意圖

雷射二極體

聚焦透鏡

散熱風扇

輸出耦合鏡 致冷器

光纖耦合透鏡 平面鏡 增益介質

益介質後半段增益著手，使增益介質在幫浦過程中，增益都大於重複 吸收損耗，來降低準三能階雷射系統的臨界閥值。

(3) 實驗架構

因此下一步我們更換另一個增益介質，其鍍膜為靠近 LD 那端為 808 nm AR，另一端為 808 nm HR，我們的想法如圖 3.8 所示，為了 避免幫浦光的浪費，所以在另一端 808 nm HR 可以讓幫浦光大部分都 反射，再被增益介質吸收，使的後半段增益增加。

但是由實驗結果發現， 造成有兩個共振腔(第一個共振腔是平面 鏡到增益介質，第二個共振腔是平面鏡到輸出耦合鏡)，如圖 3.9 示，

有兩處 1064 nm 出光。

原因探討

我們要求廠商在增益介質非靠近 LD 那端，其鍍膜為 808 nm HR、914 nm AR，而其 1064 nm 可能鍍成高反射，因此造成第一個共

圖 3.8 增益與重複吸收損耗示意圖

a 晶體吸收 808 nm 的增益

b 808 nm 反射後再次被晶體吸收增加的增益 重複吸收損耗

激發光源 b

a

增益介質 808 nm HR

振腔 1064 nm 出光，其又誘發第二個共振腔出光。

除此之外，因為在增益介質中，808 nm 反射後有一部份未被 吸收，又隨著聚焦透鏡打回雷射二極體，造成雷射二極體生命期衰減 (decay)。

3.2 準三能階 Nd:YVO4討論

從以上實驗結果，我們分析兩個原因

(1)散熱不佳

我們發現使用 Nd:YVO₄晶體，在本身 Nd:YVO₄熱傳導率偏低，

再加上與散熱銅座接觸面積太小，造成熱無法完全散出，重複吸收損 耗嚴重，導致 914 nm 無法出光。

(2)鍍膜影響

鍍膜的用意是希望我們要的 914 nm 在共振腔中共振，而不要的 1064 nm 及 1340 nm，隨著在共振腔來回(round trip)而快速穿透損耗，

第一個共振腔

第二個共振腔

平面鏡 增益介質 輸出耦合鏡

圖 3.9 雙共振腔示意圖

使的最後共振腔中都是 914nm。因此穿透率越高(換言之反射率越低) 其臨界閥值越高甚至無法形成雷射。

如圖 3.10 所示，定義入射光為 1，而其共振腔對 1064 nm 反 射率分別為 R₁、R₂則一個來回對 1064 nm 的損耗為

從文獻得知，其準三能階藍光系統要求 1064 nm 一個來回損耗為 0.91[27]，而我們 Nd:YVO₄實驗一個來回損耗為 0.64，我們發現我們 實驗對 1064 nm 的抑制不夠，再加上重複損耗嚴重使的 914 nm 的臨 界閥值大增，造成 1064 nm 出光。

綜合以上，我們從這兩方面著手改進

1. 我 們 改 用 熱 傳 導 率 較 Nd:YVO₄ 佳 ， 下 能 階 與 基 態 能 階 差 為 Nd:YVO₄兩倍的 Nd:YAG 晶體，當作增益介質。

2.而其 1064 nm 一個來回損耗為 0.97，藉此希望增加四能階系統臨界 閥值，讓 946 nm 出光。

激發光源

R1 R2

圖 3.10 來回損耗示意圖

loss = 1-R₁R₂ (3.7)

第四章 準三能階被動式 Q 開關 Nd:YAG 藍光雷射

本章第一部分由理論開始，介紹準三能階被動式 Q 開關 Nd:YAG 雷射 IR 理論模型，接下來介紹實驗架構與其元件，然後比較 IR 實驗 結果和理論結果。

第二部分討論腔內倍頻的理論推導，並帶入第一部分的 IR 的理 論模型，形成準三能階被動式 Q 開關 Nd:YAG 雷射藍光理論模型，

最後討論重複吸收對整個系統的影響，並且比較藍光實驗結果和理論 結果。

4.1 準三能階被動式 Q 開關 IR 雷射

我們以四能階被動式 Q 開關雷射為基礎，分別建構增益介質居 量反轉數隨時間變化、飽和吸收體基態能階電子濃度隨時間變化、及 腔內光子數隨時間變化等速率方程式，針對準三能階系統與四能階系 統的不同處，對增益介質居量反轉數隨時間變化做一個修正。

我們以四能階被動式 Q 開關雷射為基礎，分別建構增益介質居 量反轉數隨時間變化、飽和吸收體基態能階電子濃度隨時間變化、及 腔內光子數隨時間變化等速率方程式，針對準三能階系統與四能階系 統的不同處，對增益介質居量反轉數隨時間變化做一個修正。

在文檔中 準三能階被動式Q開關藍光雷射的研究 (頁 35-0)