國
立
交
通
大
學
理學院應用科技學程
碩
士
論
文
利用緊貼組合 Nd:YAG 及 Nd:YVO
4晶體
實現高效率雙波長 946 nm 及 1064 nm 雷射
Development of highly efficient dual-wavelength laser at 946 nm
and 1064 nm with compactly combined Nd:YAG and Nd:YVO
4crystals
研 究 生：張專慶
利用緊貼組合 Nd:YAG 及 Nd:YVO4晶體
實現高效率雙波長 946 nm 及 1064 nm 雷射
Development of highly efficient dual-wavelength laser at 946 nm and 1064 nm with compactly combined Nd:YAG and Nd:YVO4 crystals
研 究 生：張專慶 Student：Chuan-Ching Chang 指導教授：陳永富 Advisor：Yung-Fu Chen 國 立 交 通 大 學 理學院應用科技學程 碩 士 論 文 A Thesis
Submitted to Degree Program of Applied Science and Technology College of Science
National Chiao Tung University in partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master
利用緊貼組合 Nd:YAG 及 Nd:YVO4晶體
實現高效率雙波長 946 nm 及 1064 nm 雷射
Development of highly efficient dual-wavelength laser at 946 nm and 1064 nm with compactly combined Nd:YAG and Nd:YVO4 crystals
研 究 生：張專慶 Student：Chuan-Ching Chang 指導教授：陳永富 Advisor：Yung-Fu Chen 國 立 交 通 大 學 理學院應用科技學程 碩 士 論 文 摘要 本論文在闡述 946 nm 與 1064 nm 雙波長雷射之相關研究。我們藉 由 Nd:YAG 與 Nd:YVO4兩晶體特性、準三能階與四能階、倍頻轉換技 術的探討為基礎，設計出雙晶體同軸雙共振腔的雙波長雷射架構。有效 的再利用激發光源波長 808 nm 雷射的殘餘能量。並以改變共振腔長度
Development of highly efficient dual-wavelength laser at 946 nm and 1064 nm with compactly combined Nd:YAG and Nd:YVO4 crystals
Student：Chuan-Ching Chang Advisor：Yung-Fu Chen
Degree Program of Applied Science and Technology National Chiao Tung University
Abstract
The thesis elaborates the development of highly efficient simultaneous dual-wavelength laser at 946 nm and 1064 nm. The research is based on the knowledge of Nd:YAG and Nd:YVO4 crystals' characteristics, quasi-three
level and four level transitions, and second harmonic generation technology. We successfully established a stable dual-wavelength laser with a collinear
誌謝 從來沒想過，在我人生已邁入不惑之年，可以踏入固態雷射這樣一 個既有趣又迷人的領域。當初只抱著來交大在職專班學一點東西充實自 己的想法，在陳永富老師的引領下，像一個新生的嬰兒，對實驗室裡的 一切感到好奇與些許的惶恐，隨著伸手的接觸，一點一滴的親身體驗， 慢慢地發覺這是一個多麼有趣的世界。更想往前探索，似乎有著美好的 事物正吸引著我。 非常感謝陳永富老師悉心的指導，他身上總是散發一股迷人的學者 風範，即使在一句不經意的言談中，都隱含著值得省思與學習的人生道 理。亦師亦友的感覺，讓我的學習少了那麼一點壓力卻多了一些樂趣。 當然也不能忘了我的指導小老師卓俊佑，還是習慣叫他小佑。由於 有小佑的帶領，讓我漸漸熟悉那看似積木般排列組合的各種雷射架構， 並解決我學習上的許多問題。他的細心與耐心，常常讓實驗中身體漸感 疲憊的我一刻都不敢怠惰，覺得還是要打起精神來。沒有小佑的協助， 這篇論文是不可能完成的，真的誠摯的感恩。 雖然來實驗室才短短不到半年，實驗室裡的學長學姊名字我大部分 都還叫不出來，我還是要感謝它們。因為它們創造了實驗室快樂、充實 又進步的氛圍，讓我喜歡來做實驗，每次都能在滿心歡喜開心的心情 下，伴著月光回家。
目錄 中文摘要...i 英文摘要...ii 誌謝...iii 目錄...iv 圖表目錄...v 第一章 簡介...1 1.1 研究動機...1 1.2 論文架構...2 第二章 Nd:YAG 及 Nd:YVO4 兩晶體特性之比較...3 2.1 導論...3 2.2 Nd:YAG 及 Nd:YVO4兩晶體之吸收光譜分析...6 2.4 Nd:YAG 及 Nd:YVO4兩晶體之螢光光譜分析...15 第三章 Nd:YAG 之準三能階雷射...20 3.1 導論...20 3.2 波長 946nm 之 CW 雷射特性...22 3.3 波長 946nm 之脈衝雷射特性...27 3.4 倍頻藍光雷射之特性...31 第四章 Nd:YVO4 之四能階雷射...34 4.1 導論...34 4.2 波長 1064nm 及倍頻轉換 532 nm 綠光雷射之特性...36
圖 表 目 錄 表 2.1.1 Nd:YAG 及 Nd:YVO4兩晶體之相關特性比較...5 圖 2.2.1 不同長度 Nd:YAG 晶體在 808 nm 附近吸收率之比較圖...8 圖 2.2.2 摻雜釹離子濃度 0.2 at.%的 Nd:YVO4晶體吸收光譜圖...9 圖 2.2.3 摻雜釹離子濃度 0.4 at.%的 Nd:YVO4晶體吸收光譜圖...10 圖 2.2.4 摻雜釹離子濃度 0.6 at.%的 Nd:YVO4晶體吸收光譜圖...11 圖 2.2.5 摻雜釹離子濃度 0.8%的 Nd:YVO4晶體吸收光譜圖...12 圖 2.2.6 Nd:YVO4晶體濃度與晶體最佳長度的關係圖...13 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...14 圖 2.3.1 摻雜釹離子晶體的簡化能級結構圖...16 圖 2.3.2 Nd:YAG 螢光譜線圖...17 圖 2.3.3 Nd:YVO4晶體之螢光光譜圖...18 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...19 圖 3.1.1 準三能階雷射的簡化示意圖...21 圖 3.2.1 波長 946 nm 雷射的架構圖...24 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...25 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...26
圖 3.4.1 倍頻藍光雷射之架構圖...32 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...33 圖 4.1.1 四能階雷射的簡化示意圖...35 圖 4.2.1 波長 1064 nm 雷射架構圖...38 圖 4.2.2 波長 1064 nm 雷射輸出功率圖...39 圖 4.2.3 倍頻綠光雷射之架構圖...40 圖 4.2.4 倍頻綠光雷射輸出功率圖...41 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...42 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...43 圖 5.2.1 雙波長實驗架構圖...47 圖 5.2.2 最簡化雙波長雷射架構圖...48 圖 5.3.1 平面耦合輸出鏡 OC2 第一面鍍膜為對波長 1064 nm 反射率 R=10%之雷射輸出功率圖...51 圖 5.3.2 平面耦合輸出鏡 OC2 第一面鍍膜為對波長 1064 nm 反射率 R=20%之雷射輸出功率圖...52 圖 5.3.3 平面耦合輸出鏡 OC2 第一面鍍膜為對波長 1064 nm 反射率 R=30%之雷射輸出功率圖...53 圖 5.3.4 平面耦合輸出鏡 OC2 第一面鍍上對波長 1064 nm 不同反射率
第一章 簡介
1.1 研究動機
雷 射 二 極 體 激 發 固 態 雷 射 (Diode Pump Solid-state Laser) 簡 稱 DPSSL，可說是固態雷射技術中的一大突破，因為它具有轉換效率高、 光束品質好、器件結構緊湊、體積小、壽命長、可靠性高、結構牢固、 輸出能量大、峰值功率高、增益介質覆蓋的波段廣等特性[1]，與非線性 光學頻率轉換技術相結合，可實現多種波段的雷射光產生，已成為當前 雷射激光技術研究發展的主要方向，也進一步推動了各領域雷射的發 展。而緊實又有效率的雙波長雷射已吸引在軍事、民生工業、醫學及科 學應用上的注意，例如:雷射光譜學(Laser Spectroscopy)、全像技術 (Holography)、雷射雷達光學定向和測距(Lidar)、非線性光學混頻器 (Nonlinear Optical Mixers) 及 醫 療 儀 器 (Medical Instrumentation)... 等 [2-9]，都應用到雙波長雷射。因此，希望藉由我們對雙波長雷射的研究， 能創造雷射領域的新里程碑。 雙波長雷射不乏國內外的研究論文，其最主要有兩個方向：即同一 能階[5]或不同能階的雙波長雷射[6-11]。而以摻釹離子之晶體作為增益 介質的雙波長雷射中，又以輸出波長為1.06 μm 與 1.3 μm(兩個四能階轉 換)，或輸出波長為 0.9 μm 與 1.06 μm(同時具有準三能階與四能階轉換) 的雙波長雷射為主。在接下來的文章中，我們要研究的是後者，即不同
形，造成此雙波長雷射同時出光的不穩定性。另外，受限於準三能階雷 射特性，雷射晶體長度無法太長，導致以往的雙波長雷射光學轉換效率 不高(低於 20%)，且實驗架構多半很複雜。 在我們的實驗架構中，我們以雙晶體做為增益介質搭配同軸雙共振 腔的架構，成功地克服了以上的問題。以 Nd:YAG 晶體做為波長 946 nm 雷射的增益介質，晶體長度受限於準三能階熱效應與再吸收耗損的影 響，而有最佳長度僅 2 mm。搭配 Nd:YVO4晶體做為波長 1064 nm 雷射 的增益介質，因為其準三能階系統對應到不同的波長(914 nm)，可以有 效避免再吸收的現象，並有激發能量可再利用、節省能源的極佳優勢。 另外，此組合晶體總長度僅 8 mm，達到體積小，效率高、相對架構簡 單的目的，且雙波長雷射出光比率及穩定度可以藉由共振腔調整。 因此在本文章中，我們從晶體的特性開始，有系統地分析 946 nm、 1064 nm 及非線性倍頻轉換 473 nm 藍光與 532 nm 綠光雷射技術，希望 藉由一系列的研究，增加雙波長雷射同時出光的穩定性，以期建立一套 完整而最佳化的系統來表現雙波長雷射。 1.2 論文架構
第二章 Nd:YAG 及 Nd:YVO
4兩晶體特性之比較
2.1 導論 我們選擇 Nd:YAG 及 Nd:YVO4兩晶體分別做為 946 nm 與 1064 nm 雙波長雷射的增益介質。此兩晶體為常見以釹離子摻雜之增益介質，由 於具有良好的熱、物理極光學性質，因而被廣泛地應用於各種固態雷射 系統中。雖然兩者具有相同的活性離子，但因位於不同的主材中，活性 離子所承受之晶格場不同，使得晶體的特性有所差異。 表 2.1.1 是文獻中 Nd:YAG 及 Nd:YVO4 兩晶體之相關特性比較 [1][12-13][18-22]。表中顯示 YAG 屬於立方晶系，較高的摻雜濃度雖可 提高增益，卻容易造成晶格變形。因此，釹離子一般摻雜濃度在 0.9 at. % 至 1.1 at. %。而 YVO4屬於四方晶系，則較無此方面的問題，其釹離子 摻雜濃度可達 3 at. %，固具有較高的雷射增益。然而，並非離子濃度愈 高愈好。當釹離子濃度愈高時，吸收率愈高，吸收深度愈短，激發光源 大部分再增益介質很淺的地方被吸收，後半段重複吸收耗損會大於增 益，使得雷射輸出功率降低。 此兩晶體均可工作於四能階與準三能階的模式。在四能階的模式 中，皆具有良好的波長 1064 nm 的雷射輸出。在準三能階的模式中， Nd:YAG 與 Nd:YVO4分別輸出波長 946 nm 與 914 nm 的雷射。若經倍 頻轉換技術，Nd:YAG 可產生 473 nm、Nd:YVO4可產生 457 nm 的藍光三倍，所以比較之下，Nd:YAG 受溫度的影響稍為較小。 我們的雙波長雷射，是以 Nd:YAG 晶體做為波長 946 nm 雷射的增 益介質，以 Nd:YVO4晶體做為波長 1064 nm 的增益介質。並將波長 946 nm 雷射的共振腔置於內，而波長 1064 nm 的共振腔包於其外的同軸共 振腔架構。因為此兩晶體在 808 nm 附近皆有很好的吸收率，其中 Nd:YVO4的吸收光譜比 Nd:YAG 為寬，並且存在著很強的寬吸收帶，較 不尖銳，且吸收係數高，為 Nd:YAG 晶體的三倍，受激發射截面積大（比 Nd:YAG 大 5 倍）[1]。因此，可利用 Nd:YAG 未吸收的波長 808 nm 做 為 Nd:YVO4的激發光源，達到能量再利用的目的。
表 2.1.1：Nd:YAG 及 Nd:YVO4兩晶體之相關特性比較 晶體 Nd:YAG Nd:YVO4 中文名稱 摻釹釔鋁石榴石 摻釹釩酸釔 英文名稱 Neodymium-doped yttrium aluminum garnet Neodymium-doped yttrium vanadate 晶體結構 立方晶係 四方晶係 摻雜濃度 0.9～1.1 at.% 0.1～3 at. % 熔點 1970 0C 1810 0C 密度 4.56 g/cm3 4.22 g/cm3 莫氏硬度 8.5 ～5 熱傳導率 14 W/m-K@200C 10.5W/m-K@1000C ⊥C：5.10W/m-K ∥C：5.23W/m-K 折射率 1.82 @ 1.06 μm no =1.96 , ne [email protected] μm 雷射中心波長 946 nm , 1064 nm , 1319 nm 914 nm , 1064 nm , 1342 nm 吸收係數 10 [email protected] nm , 1 at.% doping 31.4 cm-1(π) , 10.5 cm-1(σ) @808 nm , 1.1at.% doping 受激輻射 截面積 3.7×10-20cm2@946 nm 2.8×10-19cm2@1064 nm 2.5×10-19cm2@914 nm 2.5×10-18cm2@1064 nm 自發輻射 230 μs 90 μs
2.2 Nd:YAG 及 Nd:YVO4兩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 再吸收耗損，反而不利於波長 946 nm 雷射的激發。而且，如前所述在 雙波長的實驗中，未吸收的部分可做為 Nd:YVO4 的激發光源。因此， 我們並不需要長度太長的晶體做為雙波長雷射中波長 946 nm 的增益介 質。 接下來，我們選取四種不同摻雜釹離子濃度的 Nd:YVO4 晶體做吸 收光譜的量測，晶體截面大小 3×3 mm2，長度 6 mm，兩表面鍍膜皆為 對波長 1064 nm 的抗反射鍍膜(AR, R<0.25%)以及對波長 808 nm 的高穿 透鍍膜(HT, T>97%)，其摻雜濃度分別為 0.2、0.4、0.6 及 0.8 at. %。所 得數據如圖 2.2.2、圖 2.2.3、圖 2.2.4、圖 2.2.5，比較此四圖可以看出摻
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:L0.2%8.136 mm、L0.4% 5.405 mm、L0.6% 4.068 mm、L0.8% 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 摻雜釹離子晶體的簡化能階結構圖如圖 2.3.1 所示，三條螢光譜線 帶分別為0.9 μm (4 F3/2－ 4 I9/2)、1.6 μm ( 4 F3/2－ 4 I11/2)、1.3 μm ( 4 F3/2－ 4 I13/2)， 其中0.9 μm 屬於準三能階雷射，而 1.06 μm 與 1.3 μm 屬於四能階雷射。 我們對 Nd:YAG 與 Nd:YVO4晶體做螢光光譜的測量，而得到三組 螢光譜線如圖 2.3.2 及圖 2.3.3。由圖中可看出 Nd:YAG 晶體的三組螢光 譜線的中心波長分別為 946 nm、1064 nm 與 1319 nm。而 Nd:YVO4晶體 的三組螢光譜線的中心波長分別為 914 nm、1064 nm 與 1342 nm。這三 組螢光譜線正代表著三組不同的能階，在同一能階中又分裂出各個次能 階。因此，我們可以藉由此圖觀察不同能階或相同能階的螢光譜線，以 了解雙波長雷射中兩波長雷射在能階中之相互關係。 由於 Nd:YVO4 是雙折射晶體，除了有很強的偏振吸收特性外，也 有很強的偏振幅射特性。因此我們針對其 π 偏振與 σ 偏振分別測量螢光 光譜。而 Nd:YVO4在雙波長雷射的研究中，我們將它做為波長 1064 nm 雷射的增益介質，所以我們在波長 1064 nm 附近做放大觀察，以比較兩 偏振的螢光譜線如圖 2.3.4。 很清楚地，此兩晶體在主峰 1064 nm 波段，都有很強的輻射。其 π 偏振螢光分量強度遠大於σ 偏振分量，且譜線寬度非常狹小，亦即能量 幾乎完全集中在 1064 nm 波段。
4F 5/2 4I 9/2 Absorption 4F 3/2 4I 13/2 4I 11/2 4I 9/2 804 nm 808 nm 813 nm 817 nm Emission 1.3μm 1.06μm 0.9μm 4F 5/2 4I 9/2 Absorption 4F 3/2 4I 13/2 4I 11/2 4I 9/2 804 nm 808 nm 813 nm 817 nm Emission 1.3μm 1.06μm 0.9μm 圖 2.3.1：摻雜釹離子晶體的簡化能級結構圖
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N1 的計算式可表示為： 1 0exp( ) E N N KT (3.1) 0 N 為基態能階電子濃度，若下能階與基態能階的能階差E很小，或晶 體 溫 度T 上 升 ， 下 能 階 的 電 子 濃 度 將 增 加 ， 如 此 將 造 成 居 量 反 轉 (Population Inversion)的困難度。而且，共振腔中欲激發的光子會因為碰 撞到下能階的電子而被吸收，此即所謂重複吸收耗損 (Re-absorption Loss)。因此，準三能階的雷射受熱和重複吸收損耗的影響，需操作在較 低的溫度以及使用較短的雷射晶體，這也是三能階雷射系統效能較差的 原因。在我們的實驗中，固定晶體長度為最佳化約 2 mm 左右的情況下， 我們先研究了在連續激發的情況下，946 nm 的雷射輸出結果。為了提高 雷射的轉換效率，我們改為使用脈衝激發的方式來探討準三能階雷射中
Ground State Absorption Band Upper Level Lower Level △E≧KT N1 Absorption Emission Ground State Absorption Band Upper Level Lower Level △E≧KT N1 Absorption 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 衝出光兩種模式。連接至聚焦透鏡組可改變不同激發光束直徑，其中第 一面透鏡(F1)焦距固定在 5 cm，而第二面透鏡(F2)則有 2.5 cm、3.5 cm、 5 cm、7.5 cm 及 10 cm 五種不同焦距可做更換。因此聚焦在雷射晶體上 的激發光束直徑大小可為100 μm、140 μm、200 μm、300 μm 與 400 μm 五種。 首先，我們以連續光激發，固定激發光束直徑大小為 200 μm，使用 三種不同的輸出耦合鏡比較結果，如圖 3.2.2 所示。由圖中可以看出此
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 O u tp u t Po w er ( 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 為了解決熱效應的問題，我們改為以脈衝激發的方式，操作在脈衝 光週期為400 μs、duty 50%來研究波長 946nm 雷射光特性。首先，我們 一樣固定激發光束直徑大小為200 μm，使用三種不同的平面輸出耦合鏡 做比較，所得結果如圖 3.3.1 所示。由圖中可看出，使用對波長 946 nm 部分反射率為 R=93% 的輸出耦合鏡時有較小的激發功率閥值(約 2.85 W)，而是用反射率為 R=97% 的輸出耦合鏡時有較大的激發功率閥值(約 5 W)。初期，以反射率 R=93%做為波長 946 nm 雷射的輸出耦合鏡其雷 射光轉轉換效率較好。隨著激發光源功率增加到 10 W 後，則以反射率 R=97%做為波長 946 nm 雷射的輸出耦合鏡之整體雷射光轉轉換效率較 好，約可達 20%。因此，我們以對波長 946 nm 反射率為 97%的輸出耦 合鏡做不同聚焦比例的研究。 我們仍以脈衝激發的方式激發，改變激發光束直徑大小分別為 100 μm、140 μm、200 μm、300 μm 與 400 μm 觀察 946 nm 雷射的輸出結果， 所得如圖 3.3.2 所示。由圖中我們可以看出，激發光束直徑大小為 300 μm 的雷射光源有較低的激發功率閥值約 2.85 W。我們固定激發功率在 22.5 W，對激發光束直徑大小與輸出功率的作圖，如圖 3.3.3 所示。從圖中 我們可以明顯的看出，激發光束直徑大小為 300 μm 的雷射光源，有較 好的雷射光轉換效率(約 20.1%)。另外，與 CW 雷射相比較，以脈衝的
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)
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 deff )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。 圖 3.4.1 為倍頻藍光雷射的架構圖[13-14]，我們延續 946 nm 的雷射 架構，加入 BIBO 藍光雷射的倍頻晶體以及改變輸出耦合鏡。我們以曲 率半徑 5 cm 的凹面鏡做為輸出耦合鏡，其第一面鍍上對波長 946 nm 的 高反射率鍍膜(HR, R＞99.8%)及對波長 473 nm 高穿透鍍膜(HT, T＞ 95%)，第二面鍍上波長 473 nm 抗反射鍍膜(AR, R＜0.2%)。在 Nd:YAG 晶體與輸出耦合鏡間置入長度 5 cm、截面積 2×2 mm2 的 type-Ι 倍頻晶 體 BIBO，其切角為 0 18.3 、 0 90 。我們使用聚焦比例 1:1.5 的聚焦鏡 組，在 Nd:YAG 晶體上的激發光束直徑大小為 300 μm。 我們分別以脈衝光及連續光波激發倍頻藍光雷射所得的結果如圖 3.4.2。其中以脈衝光激發所得的雷射輸出相對較為穩定，激發功率與輸 出雷射功率幾乎呈現線性的關係。且激發功率增至 22.5 W 時，輸出藍 光雷射功率仍無飽和的現象。而雷射光學轉換效率為 8%。反觀以連續 光波激發藍光雷射，其雷射較不穩定且激發功率增至 14 W 即出現飽和
Coupling Lens
1：1.5
Nd:YAG
Output Coupler
Laser Diode
BIBO
Coupling Lens
1：1.5
Nd:YAG
Output Coupler
Laser Diode
BIBO
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， 0 18.3 、 0 90
0 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 居量反轉，且無前述再吸收耗損的問題，所以，對溫度的要求沒有準三 能階雷射來得嚴格。且 Nd:YVO4 晶體具有較高的吸收係數、吸收寬帶 達 8 nm、且有效輻射截面亦較大，若加上一般腔內倍頻技術對於基頻光 的極化方向有特殊偏好，因此具有雙折射性單光軸的 Nd:YVO4 晶體在 腔內倍頻應用上，光學轉換效率較高。因此，我們選定 Nd:YVO4 晶體 做為波長 1064 nm 的紅外光雷射以及倍頻轉換之 532 nm 綠光雷射的增 益介質。 另外，在波長 1064 nm 腔內倍頻轉換 532 nm 綠光雷射的研究中。 KTP 是最被廣泛應用的非線性晶體，因為它具有高非線性係數、高損壞 閥值、即較大的可接受角等優點，且其二次諧波輸出波長在 492 nm 與 1700 nm 之間，非常適合做為波長 532 nm 綠光雷射中的非線性倍頻晶 體。Ground State Absorption Band Upper Level Lower Level △E>>KT N1 Absorption Emission Ground State Absorption Band Upper Level Lower Level △E>>KT N1 Absorption 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 如圖 4.2.1 為波長 1064 nm 雷射的架構圖，其共振腔為一個凹平腔， 腔長 3 cm。前鏡為曲率半徑 5 cm 的凹面鏡，鍍上對波長 1064 nm 與 532 nm 的高反射率鍍膜(HR, R＞99.8%)及對波長 808 nm 的高穿透率鍍膜 (HT, T>95%)。輸出耦合鏡的第一面鍍上對波長 1064 nm 部分反射鍍膜 (PR, R=70 %)，第二面鍍上對波長 1064 nm 抗反射鍍膜(AR, R<0.2%)。 雷射的增益介質為摻雜釹離子濃度 0.4 at. %、長度 6 mm、截面 3×3 mm2
的 a-cut Nd:YVO4晶體。Nd:YVO4晶體的兩面皆鍍上對波長 1064 nm 的
抗 反 射 鍍 膜 (AR, R<0.2%) 及 對 波 長 808 nm 的 高 穿 透 率 鍍 膜 (HT, T>95%)。激發光源為 LUMICS 20-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 徑大小為200 μm。連接至聚焦比例 1:1 的聚焦鏡組，使得投射在 Nd:YVO4 晶體上的激發光束直徑大小為200 μm。 我們以連續激發雷射的模式來激發波長 1064 nm 雷射，實驗所得的 結果如圖 4.2.2。波長 1064 nm 雷射的光學轉換效率極高，可達 49.4%。 且激發功率與輸出功率幾乎呈線性關係。即使激發功率達到 22 w，輸出 功率仍無飽和現象，這說明了此架構對波長 1064 nm 雷射的輸出極為穩
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 0 90 ， 0 23.5 。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 徑大小為1000 μm。 我們以連續激發雷射的模式來產生綠光雷射，所得的實驗結果如圖 4.2.4。在激發光源功率等於 16 W 時，輸出綠光雷射漸漸有飽和的現象， 但相對於藍光雷射則穩定許多，其雷射光學轉換效率約為 13%。 另外，我們發現使用脈衝激發的模式下，雷射輸出的真實脈寬會因 為出光時間延遲而縮短，這在實際應用上可能會造成一些問題。例如眼 科中的醫療雷射，就有可能因真實脈寬的縮短而產生治療上的誤差。為 了解決這個問題，我們研究了不同聚焦比例的情況下，脈寬變化的趨 勢。我們使聚焦在晶體上的光束直徑大小為500 μm 及 100 μm，操作在 週期 1 ms、duty=50%的情況下，比較綠光雷射的輸出脈寬。實驗結果如 圖 4.2.5 與圖 4.2.6。從圖中我們可以比較出，在激發功率較小，激發光
Coupling Lens
Laser Diode
1：1
M
3 cm
Nd:YVO
4OC
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 mm 3 YVO4+3*3*6mm 3 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
5.1 導論 近年來國內外不乏準三能階與四能階雙波長雷射的研究，我們從文 獻中整理出最主要有兩個方向：同一晶體同一共振腔而使用對兩種波長 不 同 反 射 率 的 耦 合 鏡 [9][11] ， 或 使 用 同 一 晶 體 不 同 共 振 腔 的 模 式 [8][10]。第一種方式易造成兩種波長互相競爭，使得波長 0.9 μm 雷射遭 受抑制。第二種方式往往架構複雜，在調整上很困難。而受限於準三能 階雷射特性導致晶體長度無法太長，因此無論哪一種方式，光學轉換效 率皆不高。 我們以同軸雙晶體且雙共振腔的架構來產生雙波長雷射。波長 946 nm 的雷射共振腔在內，波長 1064 nm 的雷射共振腔包於其外。如此， 可有效達到能量再利用，使整體光學轉換效率大幅提升至 30%以上。另 外，波長 1064 nm 的雷射共振腔之腔長可以藉由輸出耦合鏡位置的調整 而改變，以改變波長 946 nm 與波長 1064 nm 雷射輸出功率的比值。 5.2 實驗架構 我們設計了如圖 5.2.1 的雙波長雷射架構。它是一個同軸雙晶體雙 共振腔的結構。其中，波長 946 nm 的雷射共振腔在內，而波長 1064 nm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%)，並以此面作為此共振腔的前鏡；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%)。輸出耦合鏡 (OC1) 的第一面鍍上對波長 946 nm 為反射率 R=95%及對波長 1064 nm 高穿透率(HT,T>99%)的鍍膜，第二面則鍍上對波長 946 nm 及 1064 nm 抗反射鍍膜(AR, R＜0.2%)。我們會將波長 946 nm 的雷射共振腔 波長 1064 nm 的雷射共振腔是由一面平面前鏡(M1)、增益介質與一 面平面鏡做為輸出耦合鏡(OC2)組成。增益介質為摻雜釹離子濃度 0.2 at.%、長度 6 mm、截面 3×3 mm2 的 a-cut Nd:YVO4晶體，晶體兩端面
皆鍍上對波長 946 nm 與 1064 nm 抗反射鍍膜(AR,R＜0.2%)。前鏡為一 平面鏡，第一面對波長 808 nm 鍍有抗反射鍍膜(R＜0.2%)，第二面則鍍 上對波長 1064 nm 高反射率(HR,R＞99.8%)與對波長 808 nm 高穿透率鍍 膜(HT,T＞95%)。我們使用三面對 1064 nm 分別有反射率 10%、20%以 及 30%的平面鏡作為輸出耦合鏡(OC2)，且此三面輸出耦合鏡皆鍍上對 波長 946 nm 高穿透率鍍膜(HT, T＞90%)。我們可以藉由移動 OC2 的位 置來改變 1064 nm 共振腔的腔長，用以調整波長 946 nm 與波長 1064 nm 雷射輸出功率的比值P946 P1064。二極體激發幫浦為 Lumics 20-W 808-nm 光纖耦合雷射，其輸出光纖直徑大小為200 μm 連接至兩耦合聚焦透鏡。
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
Nd:YVO
4Nd:YAG
946-nm cavity
1064-nm cavity
M1
OC1
OC2
1：1.5
Coupling Lens
Laser Diode
Nd:YVO
4Nd:YAG
946-nm cavity
1064-nm cavity
M1
OC1
OC2
1：1.5
Laser Diode LUMICS 20W Core diameter：200um Pumping Spot Size 300 μm
Nd:YAG 3*3*2mm3 ，1.1 at. % doped
S1: HR @ 946 nm, 473 nm， HT@808 nm, 1064 nm S2: AR@ 946nm, 1064 nm
Nd:YVO4 3*3*6mm3 ，0.2 at. % doped S1,S2: AR @ 946 nm, 1064 nm Front Mirror S1:AR@808 nm
S2:HR@1064nm，HT@808 nm
OC1 S1: PR 95%@946 nm， HT@1064 nm S2: AR@946nm, 1064 nm
Coupling Lens
Laser Diode
Nd:YVO
4Nd:YAG
946-nm cavity
1064-nm cavity
M1
OC
1：1.5
Coupling Lens
Laser Diode
Nd:YVO
4Nd:YAG
946-nm cavity
1064-nm cavity
M1
OC
1：1.5
1.5 cm
OC 1. S1: PR95%@946 nm， PR1%@1064 nm S2: AR@946 nm,1064 nm 2. S1: PR97%@946 nm ，PR 10%@1064 nm5.3 實驗結果與討論 首先，我們以對波長 1064 nm 不同反射率的 OC2 來做實驗。二極 體雷射激發光源固定在 20W。所得的結果如圖 5.3.1、圖 5.3.2 與圖 5.3.3。 由此三圖我們可以明顯看出，波長 946 nm 與波長 1064 nm 雷射輸出功 率的比值P946 P1064確實可以藉由調整平面耦合輸出鏡 OC2 的位置來做改 變。隨著 OC2 的位置往後移動，亦即波長 1064 nm 的雷射共振腔變長， 946 1064 P P 值變大。由圖 5.3.1 可知，共振腔長度在 2.5 cm 時，P946 1064P =0.4， 腔長增為 5.0 cm 時，P946 P1064=0.97。而且總輸出功率的變化不大，那是 因為隨著 OC2 的位置往後移動，雖然波長 1064 nm 的雷射輸出功率減 小，而波長 946 nm 雷射輸出功率則相對增加，使得總輸出功率變化不 大。 另外，比較此三圖，我們可以發現： 一、對波長 1064 nm 有不同反射率的 OC2 會影響輸出總功率。共振腔 長度相同時，使用反射率較大的 OC2 會有較大的總輸出功率。然而隨 著腔長變長，影響就變小，亦即總輸出功率漸漸接近。 二、對波長 1064 nm 有不同反射率的 OC2 會影響調整時的靈敏度。比 較圖 5.3.1 與圖 5.3.3，共振腔長度由 3 cm 增為 5 cm 時，OC2 反射率為 10%時，P946 1064P 值由 0.54 增至 0.99，增加了 0.45。而 OC2 反射率為 30% 時，P946 P1064值由 0.01 增至 0.33，增加 0.32。說明了，反射率較大，靈
33%。 接著，我們固定波長 1064 nm 的共振腔長度在 3.5 cm，以對波長 1064 nm 不同反射率的 OC2 為橫軸，輸出功率為縱軸做圖 5.3.4。可以看出對 波長 1064 nm 不同反射率的 OC2 對整體雷射輸出功率、波長 946 nm 與 波長 1064 nm 雷射輸出功率的影響。很明顯，反射率較高有助於波長 1064 nm 的競爭，而使得其輸出功率及總輸出功率皆較大。反之，波長 946 nm 雷射輸出功率則因此變小。 在最簡化的架構下。首先，我們使用的輸出耦合鏡為在第一面鍍上 對波長 946 nm 反射率 R=95%及對波長 1064 nm 高穿透率鍍膜(HT, T>99%)，第二面則鍍上對波長 946 nm 及 1064 nm 抗反射鍍膜(AR, R＜ 0.2%)做實驗，所得的結果如圖 5.3.5。由此圖我們可以得知，在此架構 下雖然對波長 1064 nm 的反射率僅有 1 %， 激發光功率為 7.6 W 時即有 波長 1064 nm 雷射輸出。在激發光功率增至 20 W 時，總雷射輸出功率 為 3.78 W，其光學轉換效率為 19 %。 其次，我們使用的輸出耦合鏡為在第一面鍍上對波長 1064 nm 為部 分反射率 R=10%與對波長 946 nm 高反射率 R=97%鍍膜，第二面則鍍上 對波長 946 nm 與 1064 nm 抗反射(AR, R＜0.2%)做實驗，所得的結果如
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 Nd:YAG 晶體做波長 946 nm 雷射的增益介質，並將此晶體與 Nd:YVO4 晶體緊密的包覆於銅座之中，保持工作溫度在 10o C，大幅改善了準三能 階再吸收耗損的問題。另外，雙晶體且同軸共振腔的結構，可以使得波 長 1064 nm 的共振腔再利用了殘餘的波長 808 nm 激發光源能量。在此 架構的操作之下，整體雷射光的光學轉換效率可達 33%。 其次，我們可以藉由改變平面輸出耦合鏡的位置，來調整共振腔的 腔長，以改變波長 946 nm 與波長 1064 nm 雷射輸出功率的比值 946 1064 p p 。我們發現，OC2 以對波長 1064 nm 反射率較高的平面鏡做實 驗，整體雷射的輸出功率較高，反之亦然。當 OC2 的反射率為 30%， 而波長 1064 nm 的共振腔長為 3 cm 時，p946 p1064的值非常小(接近 0)。 隨著 OC2 往後移動，亦即讓共振腔增長，波長 1064 nm 雷射輸出功率 下降，而波長 946nm 雷射的輸出功率亦隨之上升，p946 p1064的值增加， 而整體雷射輸出功率變動不大。我們也發現，可藉由不同對波長 1064 nm 反射率的 OC2，來改變調整p946 p1064值時的靈敏度。反射率大，靈敏度 則較小。 另外，在最簡化的共振腔架構下。我們得知，雖然輸出耦合鏡對波 長 1064 nm 的反射率只約有 1 %，激發功率在 7.6 W 時即有波長 1064 nm 雷射輸出。隨著激發功率增大，波長 1064 nm 雷射輸出功率也漸漸增加。
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
由此雙波長雷射的研究，我們對 Nd:YAG 與 Nd:YVO4兩晶體特性 更加的認識，而準三能階與四能階雷射在理論與實際操作上也更加的熟 悉，並且更加清楚理解倍頻轉換技術的原理與應用，也成功達成預設的 目標，即建立了穩定、簡單、光學轉換效率大且可調整兩波長輸出功率 比值的雙波長雷射架構。 在波長 946 nm 雷射方面，由於它屬於準三能階雷射，會有熱效應 及再吸收耗損的問題。所以當連續激發光源增至 20 W 時，輸出的波長 946 nm 雷射已有飽和的現象。我們改以脈衝光源激發，便無此現象的發 生。且輸出雷射相對較為穩定許多。而激發光功率與輸出雷射功率幾乎 呈線性的關係。光學轉換效率可以達到 20%。 在波長 1064 nm 與倍頻轉換 532 nm 綠光雷射方面，由於它屬於準 四能階雷射，本身就相對較為穩定且技術已成熟。然而，在我們以脈衝 激發綠光雷射時，發現雷射輸出的真實脈寬會因為出光時間延遲而縮 短。這會造成精密醫療雷射上的問題。我們減小激發光源的直徑大小， 也大幅改善了此一現象。 在雙波長的研究中，我們以雙晶體且同軸共振腔的架構，成功地再 利用了殘餘的激發光源能量，使得整體雷射光的光學轉換效率提升至 33%。並且藉由改變平面輸出耦合鏡的位置，來調整共振腔的腔長，以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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