摻釹與摻鐿雷射晶體在低溫下的自發輻射與受激輻射之研究

國立交通大學

電子物理研究所

碩士論文

摻釹與摻鐿雷射晶體在低溫下

的自發輻射與受激輻射之研究

Exploring spontaneous and stimulated emissions

of Nd-doped and Yb-doped laser crystals

at cryogenic temperature

研究生：溫順茗

指導教授：陳永富 教授

摻釹與摻鐿雷射晶體在低溫下

的自發輻射與受激輻射之研究

Exploring spontaneous and stimulated emissions of Nd-doped

and Yb-doped laser crystals at cryogenic temperature

學

生：溫順茗

Student：Shun-Ming Wen

指導教授：陳永富

Advisor：Yung-Fu Chen

國立交通大學

電子物理研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to Institute of Electrophysics

College of science

National Chiao Tung University

in partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of

Master of Science

September 2014

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

中華民國一百零三年九月

摻釹與摻鐿雷射晶體在低溫下

的自發輻射與受激輻射之研究

學生：溫順茗

指導教授：陳永富

國立交通大學電子物理所碩士班

摘要

我們以液態氮降溫的方式，觀察 Nd:YAG、Nd:YAP、Nd:YLF、Nd:YVO

4

、

Nd:GdVO

4

、Nd:LuVO

4

、Nd:KGW 及 Yb:KGW 八種晶體在不同溫度下的自

發輻射光譜峰值位置偏移、峰值強度等變化。發現在降溫過程中，有五種晶

體發生原本較強之自發輻射峰值轉換至附近峰值的現象。並以 Nd:YAG 和

Nd:YLF 晶體為例，探討在不同輸入功率下，要達到雙波長雷射輸出功率相

同之最佳溫度。其中以 20 W 之輸入功率，在溫度 152 K，Nd:YAG 晶體可

達到 1061 nm 與 1064 nm 雙波長雷射輸出功率皆為 6 W。以 7.9 W 之輸入

功率，在溫度 138 K，Nd:YLF 晶體達到 1047 nm 與 1053 nm 輸出功率皆為

1.55 W 之雙波長雷射。

i

Exploring spontaneous and stimulated emissions of Nd-doped

and Yb-doped laser crystals at cryogenic temperature

Student：Shun-Ming Wen

Advisor：Yung-Fu Chen

Institute of Electrophysics

National Chiao Tung University

Abstract

We explore the variation of the spontaneous emission spectra with temperature for eight gain media, including Nd:YAG, Nd:YAP, Nd:YLF, Nd:YVO4, Nd:GdVO4, Nd:LuVO4,

Nd:KGW, and Yb:KGW crystals, as cryogenically cooling these gain media to 80 K. It is observed that the central peaks of the spontaneous emission spectra for five crystals shift to other side peaks with decreasing temperature. Moreover, we employ the Nd:YAG and Nd:YLF crystals to investigate the optimal temperatures for balancing the dual-wavelength output powers with the different incident pump powers. At an incident pump power of 20 W, the output powers of the Nd:YAG laser for the dual-wavelength at 1061 and 1064 nm can simultaneously reach 6.0 W at optimally balanced temperature of 152 K. At temperature of 138 K, the Nd:YLF laser can be operated at two wavelengths of 1047 and 1053 nm simultaneously with 1.55 W output power at an incident pump power of 7.9 W.

致謝

陳永富老師是一個非常認真盡責的老師，每天都到實驗室關心同學，並與學生討論 研究近況，時間方便時，跟同學們一起吃飯、打網球。感謝老師指導，讓我不只順利取 得學位，還多學到很多做事的方法及態度，感謝老師在做人處事上的教誨。 很感謝卓俊佑學長。在我剛換實驗室的第一天，小佑學長就很注意我心理的調適， 教完一部分 Origin 後，便要我先放輕鬆，隔天再繼續學習其他部分。小佑學長是一個縱 觀大局的人，從一開始雷射背景知識的建立，到進入實驗、數據分析處理，到整理論文， 一步一步，循序漸進，都在他的安排上。有時他知道我想做實驗，前一天晚上或是一早 就先將晶體準備好，或是幫我先跟其他學長借好儀器，讓人超感動的。有時我太過沒主 見，常常問東問西的，給學長添了不少麻煩，真的很抱歉。小佑學長也很希望我到實驗 室能夠學到解決問題的方法，訓練自主能力。 很感謝實驗室各位，特別是小佑學長、段必學長、容辰學姊、JJ 學姊、舜子學長、 曄王學長、小傑、郅閎、子麟，在這段期間的關心與指導。 在此感謝氮化物光電元件實驗室的彥顯、尹豪、Lido、崇銘、明達、佳豪、耀德、 書雋、彥甫學長，指導我們實驗的部分、氮化鎵與磊晶的背景知識。感謝我的同屆聖倫、 宗翰、其昌，我們一起讀書、做實驗、重訓、出去玩，有很多共同的回憶。感謝李威儀 老師，除了平常指導之外，還在我車禍在家休養期間，特別選在鹿港舉辦謝師宴，讓我 可以和大家一起參與活動。感謝晟淵、巧涵的幫忙。 感謝爸媽的養育之恩，還有家人的支持，讓我能夠專心的完成學業。感謝我的女朋 友孟欣，在我碩士班的這兩年多來，忍受遠距離戀愛的考驗，每天陪我講電話，偶爾假 日一同出遊，讓我的研究生生活更加精采。 iii

目錄

摘要 ………. i Abstract ... ii 致謝 ……….. iii 目錄 ……….. iv 圖表目錄 ... v 第一章 簡介 ... 1 1-1 二極體激發式固體雷射 ... 1 1-2 固態雷射晶體介紹 ... 3 1-3 雷射晶體的低溫特性 ... 6 1-4 論文章節介紹 ... 7 第二章 低溫下自發輻射光譜 ... 8 2-1 低溫自發輻射光譜實驗架設 ... 8 2-2a Nd:YAG 晶體 ... 14 2-2b Nd:YAP 晶體 ... 28 2-2c Nd:YLF 晶體 ... 39 2-2d Nd:YVO4晶體 ... 50 2-2e Nd:GdVO4晶體 ... 62 2-2f Nd:LuVO4晶體 ... 73 2-2g Nd:KGW 晶體 ... 84 2-2h Yb:KGW 晶體 ... 93 2-3 低溫自發輻射光譜總結 ... 99 第三章 低溫受激輻射 ... 102 3-1 緒論 ... 102 3-2 低溫下 Nd:YAG 雷射特性 ... 102 3-3 低溫下 Nd:YLF 雷射特性 ... 109 第四章 總結與未來工作 ... 115 4-1 總結 ... 115 4-2 未來工作 ... 118 參考文獻 ... 119 iv

圖表目錄

圖 1-1-1 Nd:GdVO4晶體σ 偏振與 π 偏振之吸收頻譜 ... 2 圖 1-2-1 釹離子之能帶結構圖 ... 4 圖 1-2-2 鐿離子之能帶結構圖 ... 4 圖 1-2-3 Nd:YAP 晶體能帶結構圖 ... 5 圖 1-2-4 Nd:YVO4晶體能帶結構圖 ... 5 圖 2-1-1 自發輻射光譜量測實驗架構圖 ... 9 表 2-1-1 Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:KGW 晶體之特性參數 ... 10

表 2-1-2 Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4、Yb:KGW 晶體之特性參數 ... 12

表 2-2a-1 Nd:YAG 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→4I13/2 能階躍遷，雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 ... 15 圖 2-2a-1 Nd:YAG 晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 解析度為 2.0 nm。 ... 16 圖 2-2a-2 Nd:YAG 晶體在波長範圍 915 nm 到 965 nm ，溫度 80 K 與 290 K 的自發輻射 光譜圖。 ... 16 圖 2-2a-3 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 930 nm 到 955 nm 的自發 輻射光譜圖。 ... 17 圖 2-2a-4 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 945.6 nm 到 946.7 nm 的自 發輻射光譜圖。 ... 18 圖 2-2a-5 Nd:YAG 晶體在波長範圍 1040 nm 到 1140 nm ，溫度 80 K 與 290 K 的自發輻 射光譜圖。 ... 18 表 2-2b-1 Nd:YAP 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→4I13/2 能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 ... 29 圖 2-2b-1 Nd:YAP 晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 解析度為 2.0 nm，紅線(實線)為 π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振，插圖為波長 1050 nm 到 1100 nm 之放大圖。 ... 29 圖 2-2b-2 Nd:YAP 晶體在溫度 290 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 30 圖 2-2b-3 Nd:YAP 晶體在溫度 80 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 30 圖 2-2b-4 Nd:YAP 晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 870 nm 到 940nm 的 自發輻射光譜圖。 ... 31 圖 2-2b-5 Nd:YAP 晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 870 nm 到 940nm 的 自發輻射光譜圖。 ... 32 圖 2-2b-6 Nd:YAP 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1040 nm 到 1140nm 的自發輻射光譜圖。 ... 33 v

圖 2-2b-7 Nd:YAP 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1040 nm 到 1140 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 33 圖 2-2b-8 Nd:YAP 晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1040 nm 到 1120nm 的自發輻射光譜圖。 ... 34 圖 2-2b-9 Nd:YAP 晶體 σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1064.25nm 到 1065.75nm 的自發輻射光譜圖。 ... 35 圖 2-2b-10 Nd:YAP 晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1079.6nm 到 1080.8nm 的自發輻射光譜圖。 ... 35 圖 2-2b-11 Nd:YAP 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1300 nm 到 1340nm 的自發輻射光譜 ... 36 圖 2-2b-12 Nd:YAP 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1300 nm 到 1340nm 的自發輻射光譜圖。 ... 36 圖 2-2b-13 Nd:YAP 晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1320 nm 到 1450nm 的自發輻射光譜圖。 ... 37 圖 2-2b-14 Nd:YAP 晶體在溫度 150 K，波長範圍 1320 nm 到 1450nm 的自發輻射光譜圖。 ... 38 表 2-2c-1 Nd:YLF 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→4I13/2 能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 ... 40 圖 2-2c-2 Nd:YLF 晶體在溫度 290 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 41 圖 2-2c-3 Nd:YLF 晶體在溫度 80 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 41 圖 2-2c-4 Nd:YLF 晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 850 nm 到 920nm 的 自發輻射光譜圖。 ... 42 圖 2-2c-5 Nd:YLF 晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 850 nm 到 920nm 的 自發輻射光譜圖。 ... 43 圖 2-2c-6 Nd:YLF 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1040 nm 到 1080nm 的自發輻射光譜圖。 ... 44 圖 2-2c-7 Nd:YLF 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1040 nm 到 1080nm 的自發輻射光譜圖。 ... 44 圖 2-2c-8 Nd:YLF 晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1030 nm 到 1080nm 的自發輻射光譜圖。 ... 45 圖 2-2c-9 Nd:YLF 晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1046nm 到 1049nm 的自發輻射光譜圖。 ... 46 圖 2-2c-10 Nd:YLF 晶體π 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1047nm 的峰值位置圖。 . 46 圖 2-2c-11 Nd:YLF 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1305 nm 到 1335nm 的自發輻射光譜圖。 ... 47 圖 2-2c-12 Nd:YLF 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1305 nm 到 1335nm 的自發輻射光譜圖。 vi

... 47 圖 2-2c-13 Nd:YLF 晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1300 nm 到 1380nm 的自發輻射光譜圖。 ... 48 圖 2-2c-14 Nd:YLF 晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1311.5nm 到 1315nm 的自發輻射光譜圖。 ... 49 圖 2-2c-15 Nd:YLF 晶體σ 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1313nm 的峰值位置圖。 . 49 表 2-2d-1 Nd:YAG 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在 4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→ 4_I 13/2能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 ... 51 圖 2-2d-1 Nd:YVO4晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 解析度為 2.0 nm，紅線(實線)為π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振。 ... 52 圖 2-2d-2 Nd:YVO4 晶體在溫度 290 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜 53 圖 2-2d-3 Nd:YVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 53 圖 2-2d-4 Nd:YVO4晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 860 nm 到 930 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 54 圖 2-2d-5 Nd:YVO4晶體在溫度 290 K，波長範圍 1050 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 55 圖 2-2d-6 Nd:YVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 1050 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 55 圖 2-2d-7 Nd:YVO4晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1060 nm 到 1090 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 56 圖 2-2d-8 Nd:YVO4晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1062 nm 到 1070 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 57 圖 2-2d-9 Nd:YVO4晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1063 nm 到 1067 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 57 圖 2-2d-10 Nd:YVO4晶體在溫度 290 K，波長範圍 1320 nm 到 1420 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 58 圖 2-2d-11 Nd:YVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 1320 nm 到 1420 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 58 圖 2-2d-12 Nd:YVO4晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1330 nm 到 1400nm 的自發輻射光譜圖。 ... 59 圖 2-2d-13 Nd:YVO4晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1340 nm 到 1345 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 60 圖 2-2d-14 Nd:YVO4晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1340 nm 到 1345 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 60 圖 2-2d-15 Nd:YVO4晶體 (a) σ 偏振 (b) π 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 914 nm 的峰 值位置圖。 ... 61 圖 2-2d-16 Nd:YVO4晶體 (a) σ 偏振 (b) π 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1064 nm 的 vii

峰值位置圖。 ... 61 圖 2-2d-17 Nd:YVO4晶體 (a) σ 偏振 (b) π 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1341 nm 的 峰值位置圖。 ... 61 表 2-2e-1 Nd:GdVO4晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→ 4_I 13/2能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 ... 63 圖 2-2e-1 Nd:GdVO4晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖， 其解析度為 2.0 nm，紅線(實線)為π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振。 ... 63 圖 2-2e-2 Nd:GdVO4晶體在溫度 290 K，波長範圍 850 nm 到 950 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 64 圖 2-2e-3 Nd:GdVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 850 nm 到 950 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 64 圖 2-2e-4 Nd:GdVO4晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 870 nm 到 930 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 65 圖 2-2e-5 Nd:GdVO4晶體 σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 911 nm 到 913.5 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 66 圖 2-2e-6 Nd:GdVO4晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 911 nm 到 913.5 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 66 圖 2-2e-7 Nd:GdVO4晶體在溫度 290 K，波長範圍 1050 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 67 圖 2-2e-8 Nd:GdVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 1050 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 67 圖 2-2e-9 Nd:GdVO4晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1060 nm 到 1090 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 68 圖 2-2e-10 Nd:GdVO4晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1060 nm 到 1090 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 69 圖 2-2e-11 Nd:GdVO4晶體在溫度 290 K，波長範圍 1310 nm 到 1410 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 70 圖 2-2e-12 Nd:GdVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 1310 nm 到 1410 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 70 圖 2-2e-13 Nd:GdVO4晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1320 nm 到 1400 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 71 圖 2-2e-14 Nd:GdVO4晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1339 nm 到 1342 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 72 圖 2-2e-15 Nd:GdVO4晶體 σ 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1340 nm 的峰值位置圖。 ... 72 表 2-2f-1 Nd:LuVO4晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→ 4_I 13/2能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 ... 74 圖 2-2f-1 Nd:LuVO4晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 viii

解析度為 2.0 nm，紅線(實線)為π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振。 ... 74 圖 2-2f-2 Nd:LuVO4晶體在溫度 290 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 75 圖 2-2f-3 Nd:LuVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 850 nm 到 950 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 75 圖 2-2f-4 Nd:LuVO4晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 860 nm 到 940 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 76 圖 2-2f-5 Nd:LuVO4晶體在溫度 290 K，波長範圍 1050 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 77 圖 2-2f-6 Nd:LuVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 1050 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 77 圖 2-2f-7 Nd:LuVO4晶體 σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1060 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 78 圖 2-2f-8 Nd:LuVO4晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1060 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 79 圖 2-2f-9 Nd:LuVO4晶體在溫度 290 K，波長範圍 1310 nm 到 1410nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 80 圖 2-2f-10 Nd:LuVO4晶體在溫度 80 K，波長範圍 1310 nm 到 1410nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 80 圖 2-2f-11 Nd:LuVO4晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1370 nm 到 1400 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 81 圖 2-2f-12 Nd:LuVO4晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1370 nm 到 1400 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 82 圖 2-2f-13 Nd:LuVO4晶體 σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1341.6 nm 到 1343.8 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 83 圖 2-2f-14 Nd:LuVO4晶體π 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1342 nm 的峰值位置圖。 ... 83 表 2-2g-1 Nd:KGW 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→ 4_I 13/2能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 ... 85 圖 2-2g-1 Nd:KGW 晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 解析度為 2.0 nm，紅線(實線)為 E//Np偏振，藍線(虛線)為 E//Nm偏振。 ... 85 圖 2-2g-2 Nd:KGW 晶體在溫度 290 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 86 圖 2-2g-3 Nd:KGW 晶體在溫度 80 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 86 圖 2-2g-4 Nd:KGW 晶體 E//Np偏振與 E//Nm偏振，在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 ... 87 圖 2-2g-5 Nd:KGW 晶體 E//Np偏振與 E//Nm偏振，在溫度 150 K，波長範圍 860 nm 到 ix

940 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 88 圖 2-2g-6 Nd:KGW 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1020 nm 到 1120nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 89 圖 2-2g-7 Nd:KGW 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1020 nm 到 1120 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 89 圖 2-2g-8 Nd:KGW 晶體 E//Np偏振與 E//Nm偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1030 nm 到 1120 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 90 圖 2-2g-9 Nd:KGW 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1280 nm 到 1430 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 91 圖 2-2g-10 Nd:KGW 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1280 nm 到 1430 nm 的自發輻射光譜 圖。 ... 91 圖 2-2g-11 Nd:KGW 晶體 E//Np偏振與 E//Nm偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1320 nm 到 1420 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 92 表 2-2h-1 Yb:KGW 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍 移量與藍移速率。 ... 93 圖 2-2h-1 Yb:KGW 晶體在 290 K，波長範圍 950 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜圖，紅 線(實線)為 E//Np偏振，藍線(虛線)為 E//Nm偏振。 ... 94 圖 2-2h-2 Yb:KGW 晶體在 80 K，波長範圍 950 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜圖，紅 線(實線)為 E//Np偏振，藍線(虛線)為 E//Nm偏振。 ... 94 圖 2-2h-3 Yb:KGW 晶體 E//Np偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 950 nm 到 1100nm 的自發輻射光譜圖。 ... 95 圖 2-2h-4 Yb:KGW 晶體 E//Np偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1038 nm 的峰值位置圖。 ... 96 圖 2-2h-5 Yb:KGW 晶體 E//Nm偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 950 nm 到 1100 nm 的自發輻射光譜圖。 ... 97 圖 2-2h-6 Yb:KGW 晶體 E//Nm偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1023 nm 的峰值位置圖。 ... 98 表 2-3-1 Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4晶體在溫度 80 K 較 290 K 峰值強度增強之倍

數 ... 100 表 2-3-2 Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4晶體在溫度 80 K 較 290 K 峰值位置之藍移量

... 100 表 2-3-3 較強自發輻射峰值轉換，與轉換溫度 ... 101 圖 3-2-1 Nd:YAG 晶體雙波長雷射實驗架構圖 ... 104 圖 3-2-2 Nd:YAG 晶體以輸入功率 20 W，在波長範圍 1059 nm 到 1068 nm，溫度 210 K 至 90 K 的雷射光譜圖。 ... 105 圖 3-2-3 不同溫度下，輸出功率隨輸入功率之變化圖 ... 106 圖 3-2-4(a) 以 3.4 W 之輸入功率，雷射波長 1061 nm 與 1064 nm 輸出功率隨溫度之變化 ... 106 x

圖 3-2-4(b) 以 20 W 之輸入功率，雷射波長 1061 nm 與 1064 nm 輸出功率隨溫度之變化 ... 107 圖 3-2-4(c) 以 20 W 之輸入功率，雷射波長 1061 nm 與 1064 nm 輸出功率隨溫度之變化 ... 107 圖 3-2-5 改變輸入功率強度，達雙波長雷射輸出功率一致之最佳溫度 ... 108 圖 3-3-1 Nd:YLF 晶體雙波長雷射實驗架構圖 ... 110 圖 3-3-2 Nd:YLF 晶體以輸入功率 7.9 W，在波長範圍 1030 nm 到 1070 nm，溫度 210 K 至 90 K 的雷射光譜圖。 ... 111 圖 3-3-3 不同溫度下，輸出功率隨輸入功率之變化圖 ... 112 圖 3-3-4(a) 輸入功率 7.9 W，雷射波長 1047 nm 與 1053 nm 輸出功率隨溫度之變化 . 112 圖 3-3-4(b) 輸入功率 4.6 W，雷射波長 1047 nm 與 1053 nm 輸出功率隨溫度之變化 . 113 圖 3-3-4(c) 輸入功率 2.9 W，雷射波長 1047 nm 與 1053 nm 輸出功率隨溫度之變化 . 113 圖 3-3-5 改變輸入功率強度，達雙波長雷射輸出功率一致之最佳溫度 ... 114 圖 4-1-1 Nd:YAG 晶體在不同溫度下的吸收光譜，插圖為波長 808 nm 至 809 nm 之放大 圖 ... 116 圖 4-1-2 溫度由 290 K 降至 80 K，摻釹晶體之自發輻射的峰值藍移量 ... 117 圖 4-1-3 溫度由 290 K 降至 80 K，摻釹釩酸鹽類晶體之自發輻射的峰值增強倍數 .... 117 xi

第一章 簡介

1-1 二極體激發式固體雷射

雷射可依增益介質的材料分為：氣體雷射、固體雷射、半導體雷射、液體雷射。其 中半導體雷射(laser diode)是以半導體當增益介質，以順向偏壓激發，使電子由價帶 (valence band)激發到導帶(conduction band)，產生居量反轉。在共振腔的部分，利用半導 體的自然劈裂面(cleaved facet)，形成一對平行的鏡面當作共振腔，使雷射光共振放大輸 出。半導體雷射有體積小、重量輕、成本低，能量轉換效率高，又可直接由輸入之激發 電源調變雷射光之輸出頻率，調制頻率可達數十億赫茲等特性 [1]，因此廣泛用於光碟 機、雷射印表機、雷射掃描機、光纖通信系統等光電產品裡。然而，它的缺點有散熱不 容易，受溫度的影響很敏感，光束的發散角很大，光束的同調品質較差等，故不適合用 來做精密加工。 固體雷射的增益介質大部分是將具有受激輻射作用的離子摻入玻璃、陶瓷或晶體中， 以人工方法製成。共振腔的部分，則多以外加光學鏡片的方式組成。固體雷射增益介質 密度較高，能承受較高的峰值功率，常配合Q開關(Q-switch)、鎖模(mode-locked)、倍頻 等技術，改變其輸出參數，可應用在金屬、陶瓷等材料之雕刻、切割、焊接、表面處理 等 [2] [3] [4]，還可應用於美容、近視、刺青去除等醫療領域 [5]。然而固體雷射散熱差， 容易造成熱透鏡(thermal lens effect)效應、輸出品質下降等問題，故通常需要溫度控制系 統，如利用水冷的方式，使增益的晶體控制在固定的溫度下，避免晶體損壞或是雷射品 質不一。

傳統的固體雷射以電弧燈(arc lamp)或閃光燈(flash lamp)當作激發光源，因為電弧燈 或閃光燈管發光的頻譜範圍從紅外光到紫外光皆有，而固體雷射晶體卻只針對某些波段 吸收較強，對其餘波段非但吸收能力不佳，因此造成轉換效率低，且容易產生廢熱。例 如由圖 1-1-1Nd:GdVO4晶體之吸收頻譜可知 Nd:GdVO4晶體對 590 nm、808 nm 波段之

吸收特別強。近年來由於二極體雷射的迅速發展，二極體激發式固體雷射(Diode pump

solid state laser，DPSSL)也被廣泛的研究並應用於產業中，因半導體雷射具有頻寬窄的 特性，可大幅增加固體雷射的轉換效率，搭配固體雷射高品質的模態，兩者相得益彰。

圖 1-1-1 Nd:GdVO4晶體σ 偏振與 π 偏振之吸收頻譜 [6]

1-2 固態雷射晶體介紹

固態晶體是固體雷射常用的增益介質之一，由摻雜(doping)的離子和基質材料(Host-material)決定其特性。摻雜的離子，會決定晶體的躍遷能階，進而影響晶體的吸收與發 光波長範圍。另一方面，每一種基質材料有不同的布拉維晶格、不同的空間群，有不同 的對稱性，會導致各能階的吸收與自發輻射的比例不同，影響自發輻射的峰值位置，或 造成不同偏振特性等。 例如由圖 1-2-1 和圖 1-2-2 的比較我們可以發現，摻釹晶體與摻鐿晶體所使用的能 階即有明顯不同，對應到的吸收與自發輻射波長也會有所差異。摻釹晶體的吸收波長在 0.8 μm，而自發輻射波長大約在 0.9 μm、1.06 μm 和 1.3 μm。其中 0.9 μm 是準三能階， 而 1.06 μm 和 1.3 μm 是四能階。另一方面，摻鐿晶體的吸收波長則在 940 nm 到 976 nm 之間，而自發輻射的波長則在 1040 nm 附近，且其為準三能階。準三能階的特性是下能 階(lower level)能量只比基態能階(ground state)高幾個 KBT，掉到基態能階的載子受到些

許的熱能，便會再吸收回到下能階，影響居量反轉，使發出自發輻射的效率變差。 在基質材料的部分，我們由圖 1-2-3 和圖 1-2-4， Nd:YAP 晶體與 Nd:YVO4晶體能

帶結構圖可以看到，同為摻雜釹之晶體，在0.9 μm、1.06 μm、1.3 μm 波段雖然皆有自發 輻射，但自發輻射的波長是不一樣的，除此之外，晶體的基質材料也會影響晶體的熱膨 脹 係 數 (Thermal expansion coefficients) 、 熱 導 係 數 (Thermal conductivity) 、 折 射 率 (Refractive indices)等物理特性，這些特性多半與晶體溫度有直接關係，因此溫度的控制 往往成為固體雷射中極重要的一環。

圖 1-2-1 釹離子之能帶結構圖

圖 1-2-2 鐿離子之能帶結構圖

圖 1-2-3 Nd:YAP 晶體能帶結構圖 [7]

圖 1-2-4 Nd:YVO4晶體能帶結構圖 [8]

1-3 雷射晶體的低溫特性

在雷射的發展史中，低溫系統很早就被使用。例如，1964 年，世界上第一台二極體 激發式固體雷射是以摻雜鈾的螢石(U:CaF2)為增益介質 [9]，此雷射必須操作在液態氦環

境，以減少低能階居量數，降低發出雷射的臨界電流。對於某些雷射，特別是摻雜鈷 [10]、 鐵 [11]等過渡金屬為增益介質的雷射，在低溫的狀態可以減少非輻射緩解(nonradiative relaxation)速率而大幅增加亞穩態(metastable state)的生命週期(lifetime)。1986 年，Moulton 在麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)發現摻鈦氧化鋁(Ti:Al2O3)雷

射的輸出功率在 300 K 為 150 mW，而當溫度為 77 K 時，輸出功率可提高為 450 mW， 這主要歸因於熱導係數(thermal conductivity)的提高 [12]。 低溫系統在雷射上的使用，起初是由於只有在極低溫的環境下才能觀察到雷射現象。 但2000年以後，隨著材料科學的進步，許多雷射並不用操作在低溫下，就可以達到好幾 百瓦的輸出功率 [13] [14]，並且有好的光束品質。雖然如此，固態晶體在低溫的狀況下， 通常會因為熱導係數會提高、熱光係數(thermo-optic coefficient)會降低、熱膨脹係數 (thermal expansion coefficients)會降低等原因，而有較優異的表現 [15] [16]。這也導致近 年來有許多論文討論在低溫系統下，量子數虧損 [17]、超短脈衝 [18] [19] [20]、熱導係 數 [21] [22]、熱光係數 [23]、自發輻射光譜 [24] [25]、輸出效率 [26] [27] [28]、斜效 率 [29] [30]等變化及雷射特性的探討。然而，上述的論文大多是以摻鐿之固態晶體討論 居多，其原因為摻鐿晶體是準三能階，而準三能階雷射在極低溫的環境下輸出效能會有 突破性的成長。也因此，在固態雷射領域最常被使用的摻釹晶體反而較少被應用在低溫 系統中。考慮到摻釹晶體的自發輻射在0.9 μm波段亦為準三能階，且固態晶體在低溫環 境下物理特性優化等情形，本論文則將研究摻釹之固態晶體在低溫下的變化。其中我們 以晶體自發輻射為主要研究主題，詳細記錄多種晶體自發輻射光譜隨溫度的變化，並藉 由其變化可預期在低溫環境下雷射輸出特性的改變，最後以幾個實際的雷射操作驗證成 果。 6

1-4 論文章節介紹

本論文分為四個章節 第一章是簡介，介紹二極體激發式雷射、固態雷射晶體，還有固態雷射晶體在低溫 下的使用與特性，最後為論文架構。 第二章為低溫自發輻射光譜的觀察與紀錄，第一節為實驗架設與晶體特性，第二節 分別介紹八種晶體之自發輻射光譜，與其降至低溫時的變化，第三節歸納八種晶體共同 的變化。 第三章為觀察晶體低溫自發輻射光譜後的應用，以 Nd:YAG 和 Nd:YLF 晶體為例， 觀察其受激輻射的變化，探討在不同功率下，要達到雙波長雷射輸出功率相同之最佳溫 度。 第四章總結此篇論文結果與未來工作。 7

第二章 低溫下自發輻射光譜

2-1 低溫自發輻射光譜實驗架設

本論文量測自發輻射光譜的實驗架構如圖 2-1-1 所示。我們將尺寸 3 × 3 × 5 mm3_的

晶體以銦片包覆，固定在銅座上，放入低溫系統(Janis Research Co.，VPF-100)中，抽真 空值壓力約 3x10-3 _{torr，避免結水氣。本實驗以液態氮降溫，包覆晶體的銅座上有熱電}

偶及加熱器，連接到溫控器(LakeShore，335 Temperature Controller)控制溫度。對於摻釹 晶體的實驗，我們使用內徑為 600 μm 之光纖耦合二極體雷射(Coherent)作為激發光源， 激發波長為 808 nm。我們將雷射二極體調整在輸入功率 1 W，經由焦距 5 cm、聚焦比 例 1 比 1 的耦合透鏡組，以同樣 600 μm 的光斑尺寸激發晶體。我們在晶體後方放置偏 振分光鏡(polarizing beam splitter, PBS)，分離晶體不同偏振的自發輻射，並收光進入最 高解析度為 0.1 nm 的光譜儀(Advantest，Q8381)紀錄訊號。另一方面，對於摻鐿之晶體， 我們則改以內徑 200 μm 的光纖耦合二極體雷射(BWT)為激發光源，激發為波長 940 nm。

本論文所量測的晶體有：摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG)、摻釹氟化釔鋰 (Nd:YLF)、摻 釹鋁酸釔(Nd:YAP)、摻釹鎢酸鉀釓(Nd:KGW)、摻釹釩酸釔(Nd:YVO4)、摻釹釩酸釓

(Nd:GdVO4)、掺釹釩酸鎦(Nd:LuVO4)、摻鐿鎢酸鉀釓(Yb:KGW)八種晶體，其特性參數

分別列於表 2-1-1、表 2-1-2。在接下來的實驗中，較大範圍的自發輻射光譜(850 nm 至 1700 nm)由於光譜儀的限制，故以解析度 2.0 nm 記錄，其餘較小範圍則以解析度 0.1 nm 分段紀錄之。

圖 2-1-1 自發輻射光譜量測實驗架構圖

Coupling lens

Cryostat head

Cryostat

Vacuum chamber

Optical window

Cu

holder

Crystal

Thermo couple

Laser diode

PBS

9

表 2-1-1 Nd:YAG、Nd:YLF、Nd:YAP、Nd:KGW 晶體之特性參數 Nd:YAG Nd:YLF Nd:YAP Nd:KGW Thermal Expansion Coefficients 7.8 × 10-6/K <111> [31] 8.3 ×10-6/K (π) 13.3 ×10-6/K(σ) [31] 2.32×10-6/K (a) 8.08×10-6/K (b) 8.7×10-6/K (c) [32] α[100] = 4×10-6/K; α[010]= 1.6×10-6/K; α[001]= 8.5×10-6/K [31] Thermal Conductivity 14 W/m/K (293 K) [31] 63 W/m/K [31] 11.7W/m/K (a) 10.0W/m/K (b) 13.3W/m/K (c) [32] K[100] = 26 W/m/K; K[010]= 38 W/m/K; K[001] = 34 W/m/K (373 K) [31] Typical Lasing Wavelength 1064.2 nm [33] 1047 nm (π) 1053 nm (σ) [31] 1064.6 nm (σ) 1079.6 nm (π) [34] 1067 nm [35] Refractive Indices n = 1.816 [33] no = 1.448、 ne = 1.470 [31] na = 1.929 nb = 1.943 nc = 1.952 [33] nq = 2.049; np = 1.978; nm = 2.014 [31] Thermo-Optic Coefficients 7.8×10-6/K [31] -4.310-6/K (π) -2.010-6/K (σ) [36] 7.7×10-6/K (E//a) 11.7×10-6/K (E//b) 8.3 ×10-6/K (E//c) [32] -15.42×10-6/K (E//Np) -11.99×10-6/K (E//Nm) [37] Fluorescence Lifetime 258 ± 3 μs (1 at. %) [33] 485 μs (1 at. %) [31] 156 ±1 μs (1 at. %) [33] 110 μs(3 at. %), 90 μs (8 at.%) [31] 10

Nd:YAG Nd:YLF Nd:YAP Nd:KGW Emission Cross Section 2.8×10-19 cm2 [31] 1.8×10-19 cm2(π) 1.2×10-19 cm2(σ) [31] 2.4×10-19 cm2 (E//C) [38] 0.83×10-19 cm2 (E//Ng) 3.23×10-19 cm2 (E//Nm) 1.19×10-19 cm2 (E//Np) [35] Absorption Cross Section 0.74×10-19cm2 @ 808 nm [39] 4.8 ×10-20 cm2 @ 798 nm [34] - 3.43×10-20 cm2 (E//Ng) 26.75×10-20 cm2 (E//Nm) 7.81×10-20 cm2 (E//Np)(1.9 at. %) @ 810 nm [35] Absorption Coefficient 4.3 cm-1 @ 808 nm [33] 10.8 cm-1(π) @ 792.0 nm 3.59 cm-1 (σ) @ 797.0 nm [31] 4.8 cm-1 @ 803 nm [40] 20 cm-1 @ 810 nm [41] 11

表 2-1-2 Nd:YVO4、Nd:GdVO4、Nd:LuVO4、Yb:KGW 晶體之特性參數

Nd:YVO4 Nd:GdVO4 Nd:LuVO4 Yb:KGW

Thermal Expansion Coefficients αa = (5.5 ± 1.5) ×10-6_/K αc = (11 ± 1.5) ×10-6_/K [42] αa = 1.5×10-6/K αc = 9.3×10-6/K [31] αa = 1.7×10-6/K αc = 9.1×10-6/K [43] α[100] = 4×10-6_/K; α[010]= 1.6×10-6_/K; α[001]= 8.5×10-6_/K [31] Thermal Conductivity κa = 5.23 W/m/K κc = 5.10 W/m/K [42] 11.7 W/m/K <110> [31] 6.1 W/m/K [44] K[100] = 26 W/m/K; K[010]= 38 W/m/K; K[001] = 34 W/m/K @373K [31] Typical Lasing Wavelength 1064.3 nm [42] 1062.9 nm [31] 1065.8 nm [43] 1023-1060 nm [31] Refractive Indices no = 1.9721; ne = 2.1858 @ 808 nm no = 1.9573; ne = 2.1652 @ 1064 nm [42] no = 1.98535; ne = 2.19813 @ 1064 nm [31] no = 2.03486; ne = 2.25472 [45] ng=2.037, np=1.986, nm=2.033 [46] Thermo-Optic Coefficients dno/dT = 8.5×10-6_/K dne/dT = 3.0×10-6_/K [42] 4.7×10-6_/K [31] dno/dT = 14.0×10-6_/K dne/dT = 6.7× 10-6_/K [45] 0.4×10-6_/K [46] Fluorescence Lifetime 110 μs(0.4 at. %) 97 μs (1.0 at. %) 63 μs (2.0 at. %) [42] 100 μs [47] 95 μs [43] 600 μs (5 at. %) [41] 12

Nd:YVO4 Nd:GdVO4 Nd:LuVO4 Yb:KGW Emission Cross Section 22×10-19_cm2 @1064 nm [42] 7.6×10-19 _cm2 @ 1064 nm [31] 14.6×10-19 _cm2 @ 1065.8 nm [43] 2.8×10-20 _cm2 @ 1023 nm [41] Absorption Cross Section 5.7×10-19 cm2 @ 800 nm [34] 4.9×10-19 cm2 @ 808 nm [31] 6.9×10-19 cm2 @ 800 nm [34] 1.2×10-19 cm2 @981.2 nm [48] Absorption Coefficient σ= 31 ± 3 cm-1_; π= 9 ± 2 cm-1 @ 808 nm [42] 74 cm-1 [31] π=61 cm-1_， σ=19 cm-1 @ 809 nm； π=46 cm-1_， σ=8 cm-1 @ 880 nm [49] 26 cm-1 (5 at. %) [41] 13

2-2a Nd:YAG 晶體

本實驗量測的 Nd:YAG 晶體濃度為 1.1 at. %。Nd:YAG 晶體是目前最常用的固態雷 射晶體，以三價的釹取代三價的釔，因此不需要電荷補償，他的立方晶系結構也有利於 得到窄的螢光譜線，導致高增益；另外 YAG 基質機械強度高，導熱性好且有良好的光 學特性。而由於 Nd:YAG 晶體為等向性材料，並無偏振的特性。圖 2-2a-1 為 Nd:YAG 晶 體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖。

圖 2-2a-2 到圖 2-2a-4 為 Nd:YAG 晶體在4_F

3/2→4I9/2能階躍遷，溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖，我們可以看到在這個波段 Nd:YAG 晶體主要的自發輻射峰值在 938 nm 以及 946 nm。由圖 2-2a-3 我們可以觀察到在降溫的過程中，自發輻射強度很明 顯的增強，但在溫度降至約 130 K 時達到最大值，我們推測溫度更低時自發輻射強度的 減弱是來自吸收效率變差的關係。另外由圖 2-2a-4，我們可以看到 946 nm 波段的峰值 位置隨溫度由 290 K 降至 80 K 時，有紅移的現象，紅移量約為 0.3 nm，紅移速率為 1.43 pm K-1_。

圖 2-2a-5 到圖 2-2a-9 為 Nd:YAG 晶體在4_F

3/2→4I11/2能階躍遷，溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖，在這個波段主要的峰值是在 1064 nm，但由實驗的觀察我們可 以發現，在低溫的環境下峰值會轉至 1061 nm。由圖 2-2a-6 和圖 2-2a-7 可推測自發輻射 峰值波長轉換的溫度約在 165 K 附近。另外由圖 2-2a-8 我們還可以觀察到，1061 nm 波 段的峰值位置隨溫度由 290 K 降至 80 K，會逐漸藍移，藍移量約為 0.5 nm，藍移速率為 2.38 pm K-1_{。而 1064 nm 波段的峰值位置藍移速率大約相同，但約在 170 K 的溫度以下} 會分裂出 1064.75 nm 的另一個峰值。相較於其他摻釹晶體，Nd:YAG 晶體有較豐富的自 發輻射光譜，在 1120 nm 附近亦有自發輻射，其中較常被使用的波長為 1113 nm 及 1123 nm，如圖 2-2a-9 所示。我們可以觀察到這個波段的自發輻射也有峰值轉換的現象，其中 1123 nm 的自發輻射強度在低溫環境下明顯高過 1113 nm 的自發輻射強度。由圖 2-2a-11 可知，1113 nm 及 1123 nm 波段的峰值會有約為 0.48 pm K-1_{及 0.95 pm K}-1_{的紅移速率，} 紅移量約為 0.1 nm 及 0.2 nm。 14

圖 2-2a-12 到圖 2-2a-15 為 Nd:YAG 晶體在4_F 3/2→4I13/2能階躍遷，溫度範圍 80 K 到 290 K 的自發輻射光譜圖。由圖 2-2a-11 和圖 2-2a-12 我們可以觀察到這個波段的自發輻 射有和 1060 nm 波段類似的狀況。在溫度為 290 K 時，最強的峰值是在 1319 nm，這也 是一般較常被使用的雷射波段。溫度由 290 K 降至 170 K 時，另一個較常被用到的雷射 波段，1338 nm 的峰值強度會強過 1319 nm 的峰值強度。而隨著溫度再降至約 130 K 時， 1334 nm 和 1358 nm 波段的自發輻射強度則會強過 1338 nm。最後降至 80 K 時，最強的 自發輻射峰值為 1358 nm。由圖 2-2a-15 和圖 2-2a-16 我們可以觀察到 1319 nm、1338 nm 的峰值位置隨溫度由 290 K 降至 80 K，會有 0.9 nm 和 1.1 nm 的藍移，藍移速率為 4.29 pm K-1和 5.19 pm K-1_。 我們從 Nd:YAG 晶體的自發輻射在降溫的過程中的變化，即最強峰值轉換的現象可 以推估，當 Nd:YAG 晶體應用到雷射時，這些波段很可會發生雷射波長轉換的現象，例 如在 2009 年即有研究觀察過使用 Nd:YAG 陶瓷材料的波長轉換現象 [50] 表 2-2a-1 Nd:YAG 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→4I13/2 能階躍遷，雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 4_F 3/2→4I9/2 4F3/2→4I11/2 4F3/2→4I13/2 雷射中心波長(nm) 946 1064 1123 1319 藍移量(nm) -0.3 0.5 -0.2 0.9 藍移速率(pm K-1₎ -1.43 2.38 -0.95 4.29 15

1000

1200

1400

1600

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

290K

1064nm

Nd:YAG 290K

圖 2-2a-1 Nd:YAG 晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 解析度為 2.0 nm。

920

930

940

950

960

0

500

1000

80K

290K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2a-2 Nd:YAG 晶體在波長範圍 915 nm 到 965 nm ，溫度 80 K 與 290 K 的自發輻射 光譜圖。 16

930

935

940

945

950

955

290K 250K 210K 170K 130K 90k

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

80K 圖 2-2a-3 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 930 nm 到 955 nm 的自發 輻射光譜圖。 17

945.6

945.8

946.0

946.2

946.4

946.6

500

1000

In

te

ns

it

y (

ar

b.

un

it

)

Wavelength (nm)

80K 90k 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K 圖 2-2a-4 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 945.6 nm 到 946.7 nm 的自 發輻射光譜圖。

1040

0

1060

1080

1100

1120

1140

500

1000

1500

2000

2500

80K

290K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2a-5 Nd:YAG 晶體在波長範圍 1040 nm 到 1140 nm ，溫度 80 K 與 290 K 的自發輻 射光譜圖。 18

1040

1050

1060

1070

1080

1090

290K 250K 210K 170K 130K 90k

Wavelength (nm)

80K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

圖 2-2a-6 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1040 nm 到 1090 nm 的自 發輻射光譜圖。 19

1060

0

1062

1064

1066

1068

1070

1000

2000

3000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

190K

170K

圖 2-2a-7 Nd:YAG 晶體在波長範圍 1060 nm 到 1070 nm，溫度 170 K 與 190 K 的自發輻 射光譜圖。

1061

0

1062

1063

1064

1065

1066

1067

1000

2000

3000

4000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K 90k 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K 圖 2-2a-8 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1061 nm 到 1067 nm 的自發 輻射光譜圖。 20

1100

1110

1120

1130

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

290K 250K 210K 170K 130K 90k 80K 圖 2-2a-9 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1100 nm 到 1130nm 的自 發輻射光譜圖。 21

1105

0

1110

1115

1120

1125

50

100

150

200

250

250K

270K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2a-10 Nd:YAG 晶體在波長範圍 1105 nm 到 1125 nm，溫度 250 K 與 270 K 的自發 輻射光譜圖。

1110

0

1112

1114

1116

1118

1120

100

200

300

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K 90k 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K 圖 2-2a-11 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1110 nm 到 1120 nm 的自 發輻射光譜圖。 22

1320

1340

1360

1380

1400

1420

1440

0

50

100

150

200

250

300

80K

290K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2a-12 Nd:YAG 晶體在波長範圍 1315 nm 到 1455 nm，溫度 290 K 與 80 K 的自發輻 射光譜圖。 23

1320

1330

1340

1350

1360

290K 250K 210K 170K 130K 90k

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K 圖 2-2a-13 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1310 nm 到 1370nm 的自 發輻射光譜圖。 24

1332

0

1334

1336

1338

1340

50

100

150

200

250

130K

150K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2a-14 Nd:YAG 晶體在波長範圍 1332 nm 到 1340nm，溫度 130 K 與 150 K 的自發 輻射光譜圖。 25

1318.0

1318.5

1319.0

1319.5

80

120

160

200

240

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K 90k 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K 圖 2-2a-15 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1318 nm 到 1319.75 nm 的自發輻射光譜圖。

1337.0

1337.5

1338.0

1338.5

1339.0

80

120

160

200

240

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K 90k 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K 圖 2-2a-16 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1337 nm 到 1339 nm 的 自發輻射光譜圖。 26

1410

1420

1430

1440

1450

290K 250K 210K 170K 130K 90k 80K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2a-17 Nd:YAG 晶體在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1405 nm 到 1455nm 的自 發輻射光譜圖。 27

2-2b Nd:YAP 晶體

本實驗所量測的 Nd:YAP 晶體濃度為 1.0 at. %。Nd:YAP 晶體為斜六方晶系(正交晶 系)，與 Nd:YAG 晶體的組成元素相同，但組成比例不同，因此物理、化學、機械和熱性 能相近。π 偏振的主要雷射波長為 1080 nm，σ 偏振的主要雷射波長為 1065 nm。Nd:YAP 晶體的自發輻射頻譜較其他摻雜釹之晶體有更多根的峰值。圖 2-2b-1 為 Nd:YAP 晶體 在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，紅線(實線)為π 偏振，藍線 (虛線)為σ 偏振，插圖為波長 1050 nm 到 1100 nm 之放大圖。 圖 2-2b-2 到圖 2-2b-5 為 Nd:YAP 晶體在 4_F 3/2→4I9/2能階躍遷，溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2b-2 與圖 2-2b-3 比較，溫度由 290 K 降到 80 K，除 884 nm、892 nm、915.8 nm、930 nm 四個峰值明顯變強外，其餘峰值或非峰值處，強度皆變 弱。π 偏振 892 nm 峰值強度變強 3.6 倍，成為4_F 3/2→4I9/2能階躍遷中，最強峰值。σ 偏 振在 930 nm，溫度由 290 K 降至 90 K 的藍移量約為 0.2 nm，藍移速率為 1.05 pm K-1_。 π 偏振在 915 nm 的藍移量約為 0.41 nm，藍移速率為 1.95 pm K-1_。 圖 2-2b-6 到圖 2-2b-10 為 Nd:YAP 晶體在4_F 3/2→4I11/2能階躍遷，溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2b-9 可以看出 σ 偏振的峰值位置隨溫度由 290 K 降至 80 K，1065 nm 藍移約為 0.8 nm，藍移速率為 3.8 pm K-1，其中 150 K 的峰值最強。由圖 2-2b-10 可以看出π 偏振在 1080.1 nm 的峰值由 290 K 降至 110 K，並無藍移或紅移，而 90 K 藍移至 1080.0 nm，80 K 紅移至 1080.2 nm，其紅藍移的量甚小，有可能是示波器 解析度極限只有到 0.1 nm 所造成。π 偏振在 130 K 的峰值最強。 圖 2-2b-11 到圖 2-2b-14 為 Nd:YAP 晶體在4_F 3/2→4I13/2能階躍遷，溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2b-11 和圖 2-2b-12 比較，溫度 290 K 時，π 偏振強度 較強，而當溫度降到 80 K 時，σ 偏振強度較強。由圖 2-2b-13 可看出，σ 偏振隨著溫度 降低，1339 nm 峰值有增加的趨勢，而π 偏振 1341 nm 峰值逐漸變弱，並且分裂出 1339 nm。由圖 2-2b-14 更可清楚看到，在 150 K 時，σ 偏振峰值強度較 π 偏振強。σ 偏振在 1339 nm 的藍移量約為 0.8 nm，藍移速率為 3.8 pm K-1_。π 偏振在 1321 nm 的藍移量為 28

0.6 nm，藍移速率為 2.85 pm K-1。 表 2-2b-1 Nd:YAP 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→4I13/2 能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 4_F 3/2→4I9/2 4F3/2→4I11/2 4F3/2→4I13/2 偏振 π σ π σ π σ 雷射中心波長(nm) 916 930 1080 1065 1341 1339 藍移量(nm) 0.4 0.2 -0.1 0.7 0.6 0.8 藍移速率(pm K-1₎ 1.95 1.00 -0.48 3.33 2.85 3.80 圖 2-2b-1 Nd:YAP 晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 解析度為 2.0 nm，紅線(實線)為π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振，插圖為波長 1050 nm 到 1100 nm 之放大圖。

1000

1200

1400

1600

0

100000

200000

300000

400000

500000

In

te

ns

it

y (

ar

b.

un

it

)

Wavelength (nm)

Nd:YAP 290K

1060 1070 1080 1090 1100 π σ 1065 1080 29

860

880

900

920

940

0

3000

6000

9000

12000

15000

In

te

ns

it

y (

ar

b.

un

it

)

Wavelength (nm)

290 K

σ

π

圖 2-2b-2 Nd:YAP 晶體在溫度 290 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。

860

880

900

920

940

0

3000

6000

9000

12000

15000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80 K

σ

π

892 nm

圖 2-2b-3 Nd:YAP 晶體在溫度 80 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 30

880

900

920

940

290K 250K 210K 170K 130K

Nd:YAP

σ

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

90K 80K 圖 2-2b-4 Nd:YAP 晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 870 nm 到 940nm 的 自發輻射光譜圖。 31

880

900

920

940

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Nd:YAP

π

290K 250K 210K 170K 130K 90K 80K 圖 2-2b-5 Nd:YAP 晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 870 nm 到 940nm 的 自發輻射光譜圖。 32

1040

0

1060

1080

1100

1120

1140

10000

20000

30000

40000

50000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

290 K

σ

π

圖 2-2b-6 Nd:YAP 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1040 nm 到 1140nm 的自發輻射光譜圖。

1040

0

1060

1080

1100

1120

1140

10000

20000

30000

40000

50000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80 K

σ

π

圖 2-2b-7 Nd:YAP 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1040 nm 到 1140 nm 的自發輻射光譜圖。 33

圖 2-2b-8 Nd:YAP 晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1040 nm 到 1120nm 的自發輻射光譜圖。

π

290K 250K 210K 170K 130K 90K 80K

1040

1060

1080

1100

1120

Nd:YAP

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

σ

34

1064.5

1065.0

1065.5

16000

18000

20000

22000

Nd:YAP

σ

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K 90K 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K 圖 2-2b-9 Nd:YAP 晶體 σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1064.25nm 到 1065.75nm 的自發輻射光譜圖。

1079.6

1080.0

1080.4

1080.8

36000

45000

54000

Nd:YAP

π

In

te

ns

it

y (

ar

b.

un

it

)

Wavelength (nm)

80K 90K 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K 圖 2-2b-10 Nd:YAP 晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1079.6nm 到 1080.8nm 的自發輻射光譜圖。 35

1300

0

1350

1400

1000

2000

3000

4000

5000

290 K

σ

π

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2b-11 Nd:YAP 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1300 nm 到 1340nm 的自發輻射光譜 圖。

1300

0

1350

1400

1000

2000

3000

4000

5000

80 K

σ

π

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2b-12 Nd:YAP 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1300 nm 到 1340nm 的自發輻射光譜圖。 36

圖 2-2b-13 Nd:YAP 晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1320 nm 到 1450nm 的自發輻射光譜圖。 π

1320

1350

1380

1410

1440

σ

Nd:YAP

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

290K 250K 210K 170K 130K 90K 80K

Wavelength (nm)

37

1350

1400

1450

0

1000

2000

3000

4000

5000

150 K

σ

π

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2b-14 Nd:YAP 晶體在溫度 150 K，波長範圍 1320 nm 到 1450nm 的自發輻射光譜圖。 38

2-2c Nd:YLF 晶體

本實驗量測的 Nd:YLF 晶體濃度為 0.8 at. %。Nd:YLF 晶體為四方晶系，具有特別 低的熱透鏡效應、螢光壽命長等特點。π 偏振的主要雷射波長為 1047 nm、1321 nm，σ 偏振的主要雷射波長為 1053 nm、1313 nm。圖 2-2c-1 為 Nd:YLF 晶體在 290 K，波長範 圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，紅線(實線)為π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振， 插圖為波長 1034 nm 到 1085 nm 之放大圖，由此圖可看出 π 偏振與 σ 偏振主要的波長 1047 nm、1053 nm。 圖 2-2c-2 到圖 2-2c-5 為 Nd:YLF 晶體在4_F 3/2→4I9/2能階躍遷，溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2c-2 跟圖 2-2c-3 比較，當溫度由 290 K 降到 80 K 後， σ 偏振有 880 nm、885 nm、908 nm 三個峰值變強，而 π 偏振只有 880 nm 變強。σ 偏振 在 908 nm 的藍移量為 0.1 nm，藍移速率為 0.47 pm K-1_，π 偏振在 903 nm 的藍移量為 0.2 nm，藍移速率為 0.95 pm K-1。 圖 2-2c-6 到圖 2-2c-9 Nd:YLF 晶體在4_F 3/2→4I11/2能階躍遷，溫度 80 K 到 290 K 之 間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2c-6 可看出在 290 K，π 偏振的峰值較 σ 偏振強。而到了 80 K 反而是σ 偏振較強，如圖 2-2c-7。π 偏振 1047 nm 峰值隨溫度由 290 K 降至 150 K， 強度是增加的，但 150 K 至 80 K 強度變弱。而σ 偏振 1053 nm 峰值隨溫度由 290 K 降 至 80 K，強度是持續增加的，如圖 2-2c-8 所示。150 K 後，σ 偏振的峰值較 π 偏振強， 發生峰值轉換的現象。由圖 2-2c-9 可知，π 偏振的峰值位置隨溫度由 290 K 降至 80 K， 1047 nm 藍移量約為 0.8 nm，藍移速率為 3.8 pm K-1_{，圖 2-2c-10 為}π 偏振在溫度 80 K 至 290 K 的峰值位置，呈現性變化。σ 偏振在 1053 nm 的藍移量約為 0.2 nm，藍移速率 為 0.95 pm K-1_。 圖 2-2c-11 到圖 2-2c-14 Nd:YLF 晶體在 4_F 3/2→4I13/2能階躍遷，在度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2c-13，π 偏振降溫至 80 K 時，1317 nm 峰值強度較 1321 nm 峰值強度強，有峰值轉換的現象。由圖 2-2c-12 可看到，當溫度降至 80 K 後，σ 偏 振有 1312 nm、1325 nm 兩個峰值，π 偏振有 1317 nm、1321 nm 兩個峰值。σ 偏振在 1312 39

nm 隨溫度由 290 K 降至 80 K，藍移量約為 1.19 nm，的藍移速率為 5.7 pm K-1，圖 2-2c-15 為σ 偏振 80 K 至 290 K 的峰值位置，呈現性變化。π 偏振在 1321 nm 的藍移量約為 0.6 nm，藍移速率為 2.85 pm K-1。 表 2-2c-1 Nd:YLF 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→4I13/2 能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 4_F 3/2→4I9/2 4F3/2→4I11/2 4F3/2→4I13/2 偏振 π σ π σ π σ 雷射中心波長(nm) 903 908 1047 1053 1321 1313 藍移量(nm) 0.2 0.1 0.8 0.2 0.6 1.2 藍移速率(pm K-1₎ 0.95 0.47 3.80 0.95 2.85 5.70 圖 2-2c-1 Nd:YLF 晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 解析度為 2.0 nm，紅線(實線)為π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振，插圖為波長 1034 nm 到 1085 nm 之放大圖。

1000

1200

1400

1600

0

300000

600000

900000

1200000

Nd:YLF 290K

In

te

ns

it

y (

ar

b.

un

it

)

Wavelength (nm)

1040 1060 1080 π σ 1047 1053 40

860

880

900

920

940

0

3000

6000

9000

12000

15000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

290 K

π

σ

圖 2-2c-2 Nd:YLF 晶體在溫度 290 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。

860

880

900

920

940

0

3000

6000

9000

12000

15000

σ

π

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80 K

圖 2-2c-3 Nd:YLF 晶體在溫度 80 K，波長範圍 850 nm 到 950nm 的自發輻射光譜圖。 41

860

880

900

920

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Nd:YLF

π

290K 250K 210K 170K 130K 90K 80K 圖 2-2c-4 Nd:YLF 晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 850 nm 到 920nm 的 自發輻射光譜圖。 42

860

880

900

920

290K 250K 210K 170K 130K 90K

Nd:YLF 90

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K 圖 2-2c-5 Nd:YLF 晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 850 nm 到 920nm 的 自發輻射光譜圖。 43

1040

0

1060

1080

40000

80000

120000

160000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

290 K

π

σ

圖 2-2c-6 Nd:YLF 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1040 nm 到 1080nm 的自發輻射光譜圖。

1040

0

1060

1080

40000

80000

120000

160000

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K

σ

π

圖 2-2c-7 Nd:YLF 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1040 nm 到 1080nm 的自發輻射光譜圖。 44

圖 2-2c-8 Nd:YLF 晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1030 nm 到 1080nm 的自發輻射光譜圖。 σ

1040

1050

1060

1070

1080

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

π _290K 250K 210K 170K 130K 90K 80K 45

1046

1047

1048

1049

30000

60000

90000

Nd:YLF π

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

80K 90K 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K 圖 2-2c-9 Nd:YLF 晶體π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1046nm 到 1049nm 的自發輻射光譜圖。 圖 2-2c-10 Nd:YLF 晶體π 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1047nm 的峰值位置圖。

90

130

170

210

250

290

1046.7

1047.0

1047.3

1047.6

W

ave

le

ng

th

(

n

m

)

Temperature (K)

Nd:YLF π

46

1310

1320

1330

0

3000

6000

9000

290 K

σ

π

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2c-11 Nd:YLF 晶體在溫度 290 K，波長範圍 1305 nm 到 1335nm 的自發輻射光譜圖。

1310

1320

1330

0

3000

6000

9000

80 K

σ

π

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2c-12 Nd:YLF 晶體在溫度 80 K，波長範圍 1305 nm 到 1335nm 的自發輻射光譜圖。 47

圖 2-2c-13 Nd:YLF 晶體σ 偏振與 π 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1300 nm 到 1380nm 的自發輻射光譜圖。

σ

1300

1320

1340

1360

1380

π

Nd:YLF

Wavelength (nm)

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

290K 250K 210K 170K 130K 90K 80K 48

1312

1313

1314

1315

1316

3000

6000

9000

Nd:YLF

σ

80K 90K 110K 130K 150K 170K 190K 210K 230K 250K 270K 290K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

圖 2-2c-14 Nd:YLF 晶體σ 偏振在溫度範圍 80 K 到 290 K，波長範圍 1311.5nm 到 1315nm 的自發輻射光譜圖。 圖 2-2c-15 Nd:YLF 晶體σ 偏振，溫度 80 K 到 290 K，波長 1313nm 的峰值位置圖。

90

130

170

210

250

290

1312.5

1313.0

1313.5

Nd:YLF

σ

W

ave

le

ng

th

(

n

m

)

Temperature (K)

49

2-2d Nd:YVO

4

晶體

本實驗量測的 Nd:YVO4晶體濃度為 0.2 at. %。Nd: YVO4晶體為四方晶系，比 Nd:YAG

晶體的吸收係數高，也有較寬的吸收帶。Nd: YVO4晶體以自發輻射光譜強度判別 π 偏 振與 σ 偏振，光譜強度較強的為 π 偏振。圖 2-2d-1 Nd:YVO4晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，紅線(實線)為π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振。 圖 2-2d-2 到圖 2-2d-4 為 Nd:YVO4晶體在4F3/2→4I9/2能階躍遷，在溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2d-2，溫度 290 K 時，π 偏振的 880 nm 為此能階躍遷 間最強之峰值，由圖 2-2d-4 可看出在溫度 210 K 以下，880 nm 峰值隨溫度降低而變弱， 到了 90 K 後，914 nm 峰值強度較 880 nm 強。σ 偏振在 930 nm，溫度由 290 K 降至 90 K 的藍移量約為 1 nm，藍移速率為 4.75 pm K-1。π 偏振在 914 nm 的藍移量約為 0.7 nm， 藍移速率為 3.32 pm K-1_。 圖 2-2d-5 到圖 2-2d-9 為 Nd:YVO4晶體在4F3/2→4I11/2能階躍遷，在溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2d-5 和圖 2-2d-6 比較，溫度由 290 K 降至 80 K，σ 偏振 1064 nm 峰值強度變為 290 K 時的 2.5 倍，π 偏振 1064 nm 峰值強度變為 290 K 時 的 3 倍。由圖 2-2d-8，σ 偏振的峰值位置隨溫度由 290 K 降至 80 K，1065 nm 藍移量約 為 0.8 nm，藍移速率為 3.8 pm K-1_{，圖 2-2d-16(a)為}σ 偏振 80 K 至 290 K 的峰值位置， 呈現性變化。由圖 2-2d-9，π 偏振的峰值位置隨溫度由 290 K 降至 80 K，1065 nm 藍移 量約為 0.7 nm，藍移速率約為 3.3 pm K-1_{，圖 2-2d-16(b)為}σ 偏振 80 K 至 290 K 的峰值 位置，呈現性變化。 圖 2-2d-10 到圖 2-2d-14 為 Nd:YVO4晶體在4F3/2→4I13/2能階躍遷，溫度 80 K 到 290 K 之間的自發輻射光譜圖。由圖 2-2d-10、圖 2-2d-11 比較，溫度由 290 K 降至 80 K，σ 偏振與π 偏振 1342 nm 峰值強度皆變為 290 K 時的 3 倍。由圖 2-2d-13，σ 偏振的峰值位 置隨溫度由 290 K 降至 80 K，由 1342 nm 的藍移量約為 1.2 nm，藍移速率為 5.7pm K -1_{，圖 2-2d-17(a)為}σ 偏振 80 K 至 290 K 的峰值位置，呈現性變化。由圖 2-2d-14，π 偏 50

振的峰值位置隨溫度由 290 K 降至 80 K，1342 nm 藍移量約為 1.2 nm，藍移速率為 5.7 pm K-1_{，圖 2-2d-17(b)為}σ 偏振 80 K 至 290 K 的峰值位置，呈現性變化。 圖 2-2d-15 和圖 2-2d-16 及圖 2-2d-17 為 Nd:YVO4晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K， 在兩個偏振、三段能階躍遷之峰值位置圖，相較於其他摻雜釹之晶體，Nd:YVO4晶體藍 移量較大，也較有線性變化。 表 2-2d-1 Nd:YAG 晶體隨溫度由 290 K 降至 80 K，在 4_F 3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→ 4_I 13/2能階躍遷，兩偏振雷射中心波長自發輻射藍移量與藍移速率。 4_F 3/2→4I9/2 4F3/2→4I11/2 4F3/2→4I13/2 偏振 π σ π σ π σ 雷射中心波長(nm) 914 914 1064 1064 1342 1342 藍移量(nm) 1.0 0.7 0.8 0.7 1.2 1.2 藍移速率(pm K-1₎ 4.75 3.32 3.80 3.33 5.70 5.70 51

1000

1200

1400

1600

0

200000

400000

600000

800000

1000000

Nd:YVO

₄

290K

In

te

n

si

ty

(

ar

b

. un

it

)

Wavelength (nm)

σ

π

圖 2-2d-1 Nd:YVO4晶體在 290 K，波長範圍 850 nm 到 1700 nm 的自發輻射光譜圖，其 解析度為 2.0 nm，紅線(實線)為π 偏振，藍線(虛線)為 σ 偏振。 52