臺灣博碩士論文加值系統

紅外固態雷射在進行腔內二倍頻轉換時，基頻雷射的光束品質為決定轉換效率的重要因素，而基頻光的高階橫模成分就是造成轉換效率的下降的主因。為了瞭解該成分產生的機制，我們採用簡單的線性共振腔，並以半導體雷射泵浦不同濃度的兩種摻釹離子雷射晶體，以產生波長為1064 nm的基頻雷射光，並探究其熱負載對基頻雷射光束品質的影響。參考已知的文獻，推導出因熱負載效應而在雷射晶體內形成一個等效聚焦透鏡之焦距理論公式，而此熱焦距與泵浦雷射的功率成反比。利用儀器M2-200可測得實際基頻光束的M2參數值及束腰處的光束大小，並利用TEM00高斯光束傳輸理論ABCD公式求出熱焦距，其結果在定性方面與理論預測相當一致。
當泵浦雷射功率超過5瓦時，位於晶體內之TEM11或TEM01模態的基頻光束大小因熱聚焦效應而縮減，使其增益大於損耗，該高階模態開始振盪，M2因此迅速增加。當泵浦功率由2瓦增加至11瓦時，光束品質因子(M2)也由1.04上升至約1.8。

The detrimental effect of thermal loading within end-diode-pumped Nd-doped continuous-wave lasers with different doping concentration lasers on the beam propagation ratio (M2) was investigated. The ratio is a key point to generate an excellent TEM00 laser beam. However, the nonlinear optical conversion efficiency of the intracavity frequency doubling is significantly influenced by the beam quality of the fundamental radiation within the cavity.
Employing a compact linear flat-flat cavity, we studied the thermal loading by measuring the values of M2 and the real beam waist radii with an automatic M2 beam propagation analyzer and using ABCD law to obtain the equivalent thermal focal length.
When the pump power was increased to over 5 W, the M2 factor was significantly raised. This is due to the fact that the thermal lensing effect could reduce the beam size of TEM11 or TEM01 mode so that the gain of the high transverse mode increases, thus putting up the fraction of the high transverse mode in real laser beams. The M2 factor was raised from a value of 1.04, reasonably close to the theoretical value of 1.00 for a TEM00 Gaussian beam, to 1.8 as the pump power was increased from 2 to 11 W.

目錄

致謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 XI
第一章 緒論 1
第二章 理論架構 5
2.1 雷射晶體之熱透鏡效應 5
2.2共振腔模型分析 13
第三章 實驗裝置架設 17
3.1 1064 nm雷射系統架構 17
3.2雷射系統架設法 19
3.3 M2-200量測架構 20
第四章 實驗結果之分析與討論 23
4.1 不同摻釹離子雷射晶體之實驗數據探討 23
4.1.1 0.5% Nd:GdVO4 (dimension:3×3×5 mm3) 23
4.1.2 1.0% Nd:GdVO4 (dimension:3×3×3 mm3) 34
4.1.3 0.5% Nd:YVO4 (dimension:3×3×5 mm3) 39
4.1.4 1.0% Nd:YVO4 (dimension:3×3×3 mm3) 44
4.2各組晶體之實驗結果比較 49
第五章 結論與展望 51
5.1 結論 51
5.2 展望 52
A.附錄 53
A.1 光束傳播比例(M2因子) 53
A.1.1前言 53
A.1.2 The second-order moment or variance definition 53
A.1.3 M2 值定義 55
A.1.4 M2 值量測法 58
A.2 M2-200 測量原理及校正方法 58
A.2.1 量測儀器介紹 58
A.2.2 M2逼近法 61
A.2.3 量測儀器測試 63
A.2.4 儀器光路校準 65
A.2.5 注意事項 70
參考文獻 76

圖目錄

圖1.1 Nd:YAG 之能階圖 4
圖2.1 以銅塊與熱電冷卻計控溫柱狀雷射晶體之側剖面及端面圖 6
圖2.2 泵浦雷射橫向強度3-D分布 8
圖2.3 泵浦雷射橫向強度2-D分布 8
圖2.4 等效薄透鏡示意圖 12
圖2.5 等效雷射共振腔 14
圖2.6 腔內來回一趟之等效光程 14
圖2.7 隱藏在實際雷射中的理想TEM00模態高斯光束 15
圖3.1 1064 nm雷射系統實驗架構 17
圖3.2 銅製晶體架 18
圖3.3 校準用綠光雷射裝置 19
圖3.4 雷射系統架設簡圖 20
圖3.5 M2-200量測架構簡圖 21
圖3.6 M2-200上安裝之對光用十字準直器及發散透鏡 22
圖4.1 輸出功率與泵浦功率之關係 (0.5% Nd:GdVO4) 23
圖4.2 輸出雷射M2 值與泵浦功率之關係
(0.5% Nd:GdVO4) 23
圖4.3 輸出雷射(TEM00模態)束腰半徑與泵浦功率之關係
(0.5%Nd:GdVO4) 25
圖4.4 晶體等效熱焦距與泵浦功率之關係(0.5%Nd:GdVO4) 25
圖4.5 Mx2值與TEM11模態百分比之關係 28
圖4.6 TEM11模態百分比與泵浦功率之關係 28
圖4.7 泵浦功率為2W時之雷射光束輪廓 (0.5%Nd:GdVO4) 29
圖4.8 泵浦功率為11W時之雷射光束輪廓 (0.5%Nd:GdVO4) 29
圖4.9 TEM00模態在晶體中的光點半徑與等效熱焦距長
之關係 29
圖4.10 TEM11模態在晶體中的光點半徑與等效熱焦距長
之關係 29
圖4.11 TEM00 模態在晶體中的光點半徑與泵浦功率之關係
(0.5%Nd:GdVO4) 31
圖4.12 TEM11模態在晶體中的光點半徑與泵浦功率之關係
(0.5%Nd:GdVO4) 31
圖4.13 TEM00、TEM11及實際模態在晶體中的光點半徑與泵浦
功率之關係(0.5%Nd:GdVO4) 31
圖4.14 輸出功率與泵浦功率之關係(1.0% Nd:GdVO4) 34
圖4.15 輸出雷射M2 值與對泵浦功率之關係
(1.0% Nd:GdVO4) 34
圖4.16 輸出雷射(TEM00模態)束腰半徑與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:GdVO4) 35
圖4.17 晶體等效熱焦距與泵浦功率之關係(1.0% Nd:GdVO4) 35
圖4.18 TEM11模態百分比與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:GdVO4) 36
圖4.19 TEM00 模態在晶體中的光點半徑與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:GdVO4) 37
圖4.20 TEM11模態在晶體中的光點半徑與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:GdVO4) 37
圖4.21 TEM00、TEM11及實際模態在晶體中的光點半徑與泵浦功
率之關係(1.0% Nd:GdVO4) 37
圖4.22 輸出功率對泵浦功率之關係(0.5% Nd:YVO4) 39
圖4.23 輸出雷射M2 值 與對泵浦功率之關係
(0.5% Nd:YVO4) 39
圖4.24 輸出雷射(TEM00模態)束腰半徑與泵浦功率之關係
(0.5% Nd:YVO4) 40
圖4.25 晶體等效熱焦距與泵浦功率之關係(0.5% Nd:YVO4) 40
圖4.26 TEM11模態百分比對應泵浦功率之關係
(0.5% Nd:YVO4) 41
圖4.27 TEM00 模態在晶體中的光點半徑與泵浦功率之關係
(0.5% Nd:YVO4) 42
圖4.28 TEM11模態在晶體中的光點半徑與泵浦功率之關係
(0.5% Nd:YVO4) 42
圖4.29 TEM00、TEM11及實際模態在晶體中的光點半徑與泵浦功
率之關係(0.5% Nd:YVO4) 42
圖4.30 輸出功率對泵浦功率之關係(1.0% Nd:YVO4) 44
圖4.31 輸出雷射M2 值與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:YVO4) 44
圖4.32 輸出雷射(TEM00模態)束腰半徑與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:YVO4) 45
圖4.33 晶體等效熱焦距與泵浦功率之關係(1.0% Nd:YVO4) 45
圖4.34 TEM11模態百分比與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:YVO4) 46
圖4.35 TEM00 模態在晶體中的光點半徑與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:YVO4) 47
圖4.36 TEM11模態在晶體中的光點半徑與泵浦功率之關係
(1.0% Nd:YVO4) 47
圖4.37 TEM00、TEM11及實際模態在晶體中的光點半徑與泵浦功
率之關係(1.0% Nd:YVO4) 47
圖4.38 1.0 %及0.5% Nd:GdVO4等效熱焦距之關係 49
圖4.39 1.0 %及0.5% Nd:YVO4等效熱焦距之關係 49
圖4.40 0.5 % Nd:GdVO4與Nd:YVO4等效熱焦距之關係 49
圖4.41 1.0 % Nd:GdVO4與Nd:YVO4等效熱焦距之關係 49
圖A.1 TEMnm 55
圖A.2 雷射光束 57
圖A.3 M2-200儀器之架構 59
圖A.4 M2-200構造實景 60
圖A.5 雷射光束經過透鏡之傳輸 61
圖A.6 氦氖雷射量測實驗機構 63
圖A.7 氦氖雷射光之輪廓 64
圖A.8 氦氖雷射M2值測量結果 64
圖A.9 光線準直不佳造成偏差的測量結果 65
圖A.10 自製十字準直器 66
圖A.11雷射光束之準直 66
圖A.12 利用準直器等分光點增加精準度 67
圖A.13 M2-200初步準直 67
圖A.14 校準後之量測結果(透鏡焦距為45cm) 69
圖A.15 校準後之量測結果(透鏡焦距為40cm) 69
圖A.16 光點偏移量量測結果 70
圖A.17 左右圖分別為透鏡後40與65cm處之雷射光之輪廓 71
圖A.18 光束於f=45cm透鏡後85cm及在f=50cm透鏡後
100cm之圖形 72
圖A.19 使用可調孔徑式光圈擋去雷射腔內產生之自發輻射¬ 73
圖A.20 f=45cm之透鏡後85cm處可調孔徑式光圈使用前(左)
與使用後(右)雷射光輪廓之關係 73
圖A.21 M2-200透鏡前為防止自發輻射影響所架設之可調
孔徑式光圈 74
圖A.22 因ND-Filters轉換造成測量點偏離趨勢線 75
圖A.23 以半波片調整入射光強度使ND-Filters不做轉換
之測量結果 75

表目錄

表1.1 77K時GdVO4中Nd3+之4I及4F項分裂情形 2
表1.2 77K時YVO4中Nd3+之4I及4F項距離中心之分裂情形 3
表1.3 掺釹離子雷射晶體相關的光學及物理的特性 3
表3.1 共振腔面鏡之鍍膜規格 18
表4.1 輸出功率及M2值與泵浦功率之對照 (0.5% Nd:GdVO4) 24
表4.2 各詳細實驗數據對應泵浦功率之比較(0.5% Nd:GdVO4) 33
表4.3 輸出功率及M2值與泵浦功率之對照(1.0% Nd:GdVO4) 35
表4.4 各詳細實驗數據對應泵浦功率之比較(1.0% Nd:GdVO4) 38
表4.5 輸出功率及M2值與泵浦功率之對照(0.5% Nd:YVO4) 40
表4.6 各詳細實驗數據對應泵浦功率之比較 (0.5% Nd:YVO4) 43
表4.7 輸出功率及M2值與泵浦功率之對照 (1.0% Nd:YVO4) 45
表4.8 各詳細實驗數據對應泵浦功率之比較 (1.0% Nd:YVO4) 48
表 A.1 各量測法所需之修正因子(Ci) 61

參考文獻

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