行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
小型 Yb:YAG 飛秒環形鎖模雷射之研製(1/3)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2215-E-110-009- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學光電工程研究所 計畫主持人： 黃升龍 計畫參與人員： 易瑞昀, 張永欣 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 6 月 1 日
小型 Yb:YAG 飛秒環形鎖模雷射之研製
The research and development of compact Yb:YAG femtosecond ring lasers (1/3) 計畫編號：NSC 92-2215-E-110-009 執行年限：92/8/1~93/7/31 主持人：黃升龍 教授 參與學生: 易瑞昀, 張永欣 國立中山大學光電工程研究所 一、 中文摘要（關鍵詞：環形共振 腔、被動鎖模雷射、固態雷射 超快雷射具備在時間上高解析度 與高峰值功率的脈衝特性，可用作觀 測超快動態現象、測量超快光電元件 的工具，亦可用以研究非線性現象， 在電子、物理、化學、生物、醫學等 方面皆有極高的應用價值。 色散補償的設計是影響超快雷射 脈衝寬度的重要因素，但為了補償色 散而加入的光學元件造成雷射的體積 變大、對準困難等缺點。本實驗室所 成功開發出的多次再入射之雙鏡式環 形共振腔雷射，由於重複經過面鏡之 次數可多達 20 次以上，非常適合以鍍 膜方式達成色散補償，此共振腔之成 果已發表於 Optics Letters 與 IEEE Journal of Quantum Electronics 等期 刊，以其多次再入射之特性，結合 chirped mirror 之設計，可大幅提昇色 散補償之效果，因此，提出本計畫以 此架構搭配被動式鎖模技術，直接將 coupler 設計成 chirped mirror，無需外 加任何光學元件來做色散補償，做出 架構簡單、體積小、光學元件少、校 準容易的被動式飛秒鎖模雷射。 本計畫第一年將以 Yb:YAG 為增 益介質，搭配適合的飽和吸收體，如 Cr3+:GaAs 及 Cr4+:YAG，計畫完成雙 鏡式環形鎖模雷射的色散補償理論模 擬，並以 chirped mirror 以及 double chirped mirror，設計多次再入射共振 腔之色散補償。 本計畫第二年將利用本實驗室目 前所具備的電子槍設備，找出最佳的 鍍膜條件及最佳的鍍膜參數後，對雷 射系統中所有需要鍍膜的光學元件進 行設計及製作的工作，並完成 cw Yb:YAG 單向及雙向環形共振腔雷 射。 本計畫第三年將所有製鍍完成的 光學元件組合起來，以 self-starting 的 方式產生鎖模雷射，並進行特性量 測，將實驗數據與理論模擬作比較與 分析，預計將產生平均功率在瓦級以 上且脈衝寬度小於 300 fs 之小型環形 共振腔 Yb:YAG 雷射。
英 文 摘 要 （ Key words: Ring laser, Mode-locked laser, Solid-state laser）
Mode-locked lasers have high temporal resolution and high pulsed power, and can be used to probe ultrafast phenomena, characterize ultrafast optical-electric elements, and its high power can also be used to study nonlinear phenomena. Ultrafast techniques have been extensively applied in physics, chemistry, biology, medicine, etc.
Design of the dispersion compensation is an important issue to mode-locked lasers. Adding intracavity optical elements to compensate the dispersion will make the volume bigger, become more difficult in alignment, etc. A multi-reentrant ring laser cavity has been successfully developed in our laboratory. Due to the multi-pass (i.e. more than 20 in a round trip) nature of
the beam on the cavity mirrors, it is very suitable for enhanced dispersion compensation. The novel cavity design has been published in Optics Letters and IEEE Journal of Quantum Electronics. Combining this multi-reentrant ring cavity and chirped mirrors for dispersion compensation, no additional intracavity optical element is needed to compensate the dispersion. A simple, compact, easy aligning femtosecond mode-locked laser can be implemented.
In the first year, we will use Yb:YAG as the gain medium, and Cr3+GaAs and/or Cr4+:YAG as the saturable absorber to design chirped and double chirped mirrors for dispersion compensation in passively mode-locked laser.
In the second year, we will use the e-gun optical coating system in our laboratory to do the coating for all elements in the mode-locked laser. Process optimization will be conducted. And a cw Yb:YAG laser will be constructed.
In the third year, we will align all the optical elements and generate a self-started 1-W, 300-fs mode-locked laser. All the characteristics of the laser will be measured and will be compared with the simulation.
二、研究方法 以Yb:YAG為增益介質的立體環型 (2, 1)共振腔雷射，其架構如圖一所示， 幫浦光源Ti:sapphire Laser經過1/4波片 與PBS來調整功率，幫浦波長941nm或 969nm都可用來激發Yb:YAG晶體的基 態能階的電子以達到居量反轉產生雷射 輸出，幫浦光源經過聚焦透鏡(f=75mm) 聚焦後，打在晶體上的mode size~90µm 經過模擬與cavity mode 達成最佳的模 態匹配，增益介質為20 mol.% doped 的 Yb:YAG 晶體，面積1.5 x 1.5mm，厚度1 mm，加上TE-cooler來幫助晶體散熱，目 前在雷射輸出下晶體座的溫度可工作在 8~25oC之間，cavity mirror 的曲率半徑 為50mm，腔長=50.2mm，圖二是雷射輸 出在IR card上的成像。 在此雷射系統內的光學元件，如 Input coupler(I/C) 、 Output coupler (O/C) 、Yb:YAG晶體，都分別對幫浦波 長與激發波長有不同的光學薄膜需求， 本實驗室利用電子槍蒸鍍系統，使用 TiO2、SiO2為高、低折射率材料來做光 學薄膜設計，利用350o C高溫製程來增加 膜質的緻密性。圖二(a)是晶體兩端面的 光譜圖，對幫浦波長941nm、969nm與雷 射波長1030nm都有AR效果；圖二(b)是 Input coupler的平面與凹面的光譜圖，對 幫浦波長有AR設計來效果提升晶體吸 收幫浦光效率，對激發波長則是高反射 的設計，若增加光學薄膜的堆疊層數可 以使反射率再提高；圖二(c)是Output coupler 的 光 譜 圖 ， 當 分 別 使 用 Coup-R50-01與Coup-R50-03作輸出耦合 透鏡時，雷射系統的有效穿透率分別為 8.04%、20.44%。 Yb:YAG 雷 射 屬 於 準 三 能 階 雷 射，所以晶體散熱裝置顯的格外重要， 目前以紅銅製的晶體座固定晶體，晶體 座以TE-cooler散熱，而TE-cooler的熱端 以風扇散熱；在立體環形(2, 1)雙向操作 下，幫浦波長為941nm，耦合鏡的有效 穿透率為8.04%時，晶體座溫度對雷射輸 性能的量測結果如圖三，當晶體座的溫 度從21.6o C降到17.5oC，吸收功率閥值由 473mW下降到400mW，雷射的斜率效率 由2.96%提升到5.84%。 Yb:YAG 晶 體 在 波 長 941nm 與 969nm分別有兩個吸收能階，就理論上 而言，969nm當幫浦波長其量子轉換效 率 較 高 ， 941nm 的 量 子 轉 換 效 率 為 91.36% ， 而 969nm 量 子 轉 換 效 率 有 94.08%，產生的熱較少。在立體環形(2, 1)的雷射架構下，已成功的分別使用此 兩種幫浦波長來產生雷射，由圖四可看 出此兩種幫浦波長的比較，以969nm作 幫浦波長時，雷射的斜率效率略高於 941nm。為了得到更高的斜率效率，將 耦 合 鏡 的 有 效 穿 透 率 由 8.04% 提 高 到 20.44%，如圖四所示，不論幫浦波長是
941nm或969nm，斜率效率都提升了三倍 以上，以幫浦波長969nm而言，斜率效 率由6.46%提升到21.1%，L-I curve 如圖 五所示。若在架構中加入法拉第效應， 以單方向控制產生雷射，估計斜率效率 可再提升一倍。 三、結論 目前我們已成功完成雷射晶體及雷 射鏡之光學鍍膜並產生Yb:YAG 環形共 振腔雷射，斜率效率達21.1%，將依原先 規劃朝單方向震盪及鎖模雷射之研發前 進。 四 、 參 考 資 料 [1] F. X. Kartner, N. Matuschek, T. Schibli, U. Keller, H. A. Haus, C. Heine, R. Morf, V. Scheuer, M. Tilsch, and T. Tschudi, “Design and fabrication of double-chirped mirrors,” Opt. Lett., vol. 22, pp. 831-833, 1997. [2] N. Matuschek, F.X. Kartner, and
U. Keller, “Exact coupled-mode theories for multilayer inter-ference coatings with arbitrary strong index modulations,” IEEE
J. Quant. Electron., vol. 33, pp. 295-302, 1997.
[3] S. L. Huang, Y. H. Chen, P. L. Huang, J. Y. Yi, and H. Z. Cheng, “Multi-reentrant nonplanar ring laser cavity,” IEEE J. Quant. Electron., vol. 38, pp. 1301-1308, 2002.
[4] P. L. Huang, C. J. Weng, H. T. Tuan, S. C. Pei, and S. L. Huang, “Polarization analysis of a non-planar and reentrant ring laser cavity,” to appear in Jap. J. Appl. Phys., 2003.
[5] P. L. Huang, C. R. Weng, H. Z. Cheng, and S. L. Huang, “A passively Q-switched laser constructed by a two-mirror reentrant ring cavity, ” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 40, pp. 508-510, 2001.
[6] Z. Cheng, P. L. Huang, and S. L. Huang, “Reentrant two-mirror ring resonator for generation of a single-frequency green laser,” Opt. Lett., vol. 25, pp. 542-544, 2000. f=75mm Coup-R50-03 O/C Yb-d1-01 Ti:sapphire Laser 941,969 nm ¼波片 PBS (a) (b) 圖一: (a) 雷射架構圖, (b) 立體環形(2, 1)雷射輸出在 IR card 成像
0 20 40 60 80 100 800 850 900 950 1000 1050 1100 波長(nm) R(%) 平面 凹面 0 1 2 3 4 5 800 850 900 950 1000 1050 1100 波長(nm) R(%) (a) (b) 0 20 40 60 80 100 800 850 900 950 1000 1050 1100 波長(nm) R(%) 平面 Coup-R50-01 凹面 Coup-R50-02 凹面 (c)
圖二: (a) Yb:YAG 晶體兩端面鍍膜後光譜圖, (b) Input coupler 鍍膜後光譜圖, (c) Output coupler 鍍膜後光譜圖(兩個不同穿透率的 O/C)
380 400 420 440 460 480 500 17 18 19 20 21 22
Yb:YAG mount temprature (oC)
Threshold of absorbed power (mW) 0 1 2 3 4 5 6 7 Slope efficiency (%) 圖三: Yb:YAG (2,1)環形雷射, 吸收波長 941nm, 不同晶體溫度下雷射效能量測
0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 Coupler effective transmittance (%)
Slope efficiency (%) 941-nm pump 969-nm pump 圖四: 雷射斜率效率隨 O/C 穿透率之變化 0 5 10 15 20 25 350 375 400 425 450 475 500 Absorbed 969 nm power (mW)
Total ouput power (mW)
晶體座溫度=11.2 oC
