[[alternative]]The dynamics of a single-mode Nd:YVO4/Cr4+:yag laser

碩士[[abstract]]本論文研究之主要目的是探討單模Nd:YVO4/Cr4+:YAG雷射之運作，尤其是連續波及脈衝式兩種運作模式之間變遷時的變化。理論部分，我們考慮雷射腔內的駐波效應，對斜率效率做合理的解釋。實驗部分，一開始我們使用二極體雷射作為我們的幫浦光源，以Nd:YVO4雷射晶體做為端面鏡，再利用KTP晶體與薄膜偏振片建造一個折疊腔雷射。我們發現即使腔長達18公分，仍可以輕易的實現穩定單模運作 。當此雷射在幫浦光功率為570mw時，輸出功率為94mw，偏振比約200:1。在斜率效率與起振功率的測量實驗中，我們發現實驗值與理論值相當吻合，驗證了我們的理論推導。在折疊腔腔長8公分中，我們使用Cr4+:YAG晶體作為可飽和吸收晶體，KTP晶體作為選模裝置。藉由幫浦功率的改變，測量連續波及脈衝模式及兩者之間變遷時的光譜。我們發現雷射運作模式變遷的過程中，雷射光的波長沒有變化，輸出功率仍與激發功率保持線性關係。因而推斷這種脈衝形成的機制是雷射光的強度與可飽和吸收體的透明度兩者一消一長互相調製而成。[[abstract]]The main purpose of the thesis study is to investigate the single mode operation of a Nd:YVO4/Cr4+:YAG laser; especially the changes which occur during the transition between continuous wave (cw) and pulsed modes of operation. Theoretically, the standing wave effect in laser cavity is considered in evaluating the overlap efficiency so that a quantitative explanation to the slope efficiency can be made. In the experimental part, we used diode laser as our pump light source. A folded laser cavity was formed with a Nd:YVO4 laser crystal (serving as a terminal mirror), a thin-film polarizer, a KTP crystal and a output coupler. The KTP crystal and the polarizer function as a mode-selector. We found that stable single-mode operation can be easily achieved even when the cavity length is 18-cm long. At a pump power of 570 mw, an output power of 94 mw was obtained, and the vertical to horizontal polarization ratio is about 200:1. As far as the threshold pump power and slope efficiency of the laser are concerned, our experiments show very good agreement with theory. As the length of the folded cavity was changed to 8 centimeters, a Cr4+:YAG crystal was used as a saturable absorber. By changing the pump power, we measured the spectrum of the laser output which underwent a transition from cw to pulsed operation modes. We found that in the course of the transition, the laser does not change in its wavelength, and its output power still keeps the same linear relationship with the pump power. Thus, the mechanism of the transition may be simply attributed to the cross modulation between the intra-cavity laser intensity and the concentration of the absorbing centers within the Cr4+:YAG crystal.[[tableofcontents]]一. 序論 1 二. 理論分析 3 2.1 基本的CW雷射理論 3 2.2 重疊效率 9 2.3 第二起振條件 11 2.4 本實驗設計單模產生的方法 13 三. 實驗方法及結果分析 15 3.1 實驗裝置 15 3.2 實驗結果分析 29 3.2.1無SA斜率效率和起振功率實驗結果分析 29 3.2.2加入SA斜率效率和起振功率實驗結果分析 35 3.2.3 CW及脈衝式運作輸出光譜圖分析 39 3.2.4 CW、脈衝雷射輸出及光束性質結果分析 48 四. 結論 50 五. 參考文獻 52 圖表目錄 圖(2.1) 四能階系統及粒子數反轉示意圖 3 圖(2.2) 駐波效應示意圖 10 圖(2.3) 通過KTP晶體偏轉2度波長對e-wave及o-wave所引入相位差 14 圖(3.1) 雷射晶體穿透光譜量測裝置圖 16 圖(3.2) Nd:YVO4對平行C軸的偏振光之穿透光譜 17 圖(3.3) Nd:YVO4對垂直C軸的偏振光之穿透光譜 17 圖(3.4) LDD-9A-181二極體雷射光譜分析儀器架構 19 圖(3.5) LDD-9A-181雷射在不同驅動電流下的之輸出光譜 19 圖(3.6) SDL-2350-H1二極體雷射光譜分析儀器架構 20 圖(3.7) SDL-2350-H1雷射在不同驅動電流下的之輸出光譜 20 圖(3.8) LDD-9A-181測量輸出功率的裝置 21 圖(3.9) LDD-9A-181二極體雷射輸出瓦數和驅動電流關係圖 21 圖(3.10) SDL-2350-H1測量輸出功率的裝置 22 圖(3.11) SDL-2350-H1二極體雷射輸出瓦數和驅動電流關係圖 22 圖(3.12) LDD-9A-181二極體雷射系統裝置 24 圖(3.13) SDL-2350-H1二極體雷射系統裝置 25 圖(3.14) 薄膜偏侲片對垂直偏侲光的反射率量測裝置 27 圖(3.15) 加入KTP時單模輸出，其FSR為83GHz 28 圖(3.16) 無KTP時多模輸出 28 圖(3.17) CW雷射裝置圖 29 圖(3.18) 輸出耦合鏡R=90%，輸出功率激發功率關係圖 30 圖(3.19) 輸出耦合鏡R=98%，輸出功率激發功率關係圖 30 圖(3.20) 輸出耦合鏡R=90%，在腔內加入KTP單膜輸出，輸出功率激發功率關係圖 31 圖(3.21) 輸出耦合鏡R=98%，在腔內加入KTP單膜輸出，輸出功率激發功率關係圖 31 圖(3.22) 微調KTP時，在SFPI所顯示的變化，縱模由左向右的跳動 34 圖(3.23) 腔內加入Cr :YAG雷射裝置圖 35 圖(3.24) 輸出耦合鏡R=90%(+SA)，輸出功率激發功率關係圖 36 圖(3.25) 輸出耦合鏡R=98%(+SA)，輸出功率激發功率關係圖 36 圖(3.26) 輸出耦合鏡R=90%(+SA+KTP)，輸出功率激發功率關係圖 37 圖(3.27) 輸出耦合鏡R=98%(+SA+KTP)，輸出功率激發功率關係圖 37 圖(3.28) CW及脈衝式運作輸出光譜圖分析實驗架構圖 39 圖(3.29) Cr ：YAG距離雷射晶體5.3cm，由下而上表示激發功率漸漸增加 40 圖(3.30) 腔內無KTP，pump功率為270mW時，所測得之CW運作輸出光譜 41 圖(3.31) 腔內無KTP，pump功率為408mW時，所測得之脈衝式運作輸出光譜 41 圖(3.32) 腔內無KTP，pump功率為512mW時，所測得之CW運作輸出光譜 42 圖(3.33) 腔內無KTP，pump功率為570mW時，所測得之脈衝式運作輸出光譜 42 圖(3.34) 加入KTP，Cr ：YAG距離雷射晶體5.3cm，由下而上表示激發功率漸漸增加 43 圖(3.35) 單模輸出，pump功率為270mW時，所測得之脈衝式運作輸出光譜 44 圖(3.36) 單模運作，pump功率為408mW時，所測得之脈衝式運作輸出光譜 44 圖(3.37) 單模輸出，pump功率為512mW時，所測得之脈衝式運作輸出光譜 45 圖(3.38) 單模運作，pump功率為570mW時，所測得之脈衝式運作輸出光譜 45 圖(3.39) 腔內加入KTP，pump功率為408mW時，單模輸出 46 圖(3.40) 腔內加入KTP，pump功率為512mW時，單模輸出 46 圖(3.41) 雷射共振腔光束行進路線 48 表(3.1) 薄膜偏侲片對垂直偏侲光的反射率量測結果 27 表(3.2) 空腔無KTP時，實驗值與理論值比較 33 表(3.3) 加入KTP單模輸出時，實驗值與理論值比較 33 表(3.4) 加入Cr :YAG 時，實驗值與理論值比較 38 表(3.5) 加入Cr :YAG與KTP單模輸出時，實驗值與理論值比較 38 表(3.6) Cr ：YAG距離雷射晶體5.3cm，增大激發功率對於運作模式的改變 40 表(3.7) 加入KTP，Cr ：YAG距離雷射晶體5.3cm，增大激發功率對於運作模式的改變 43 表(3.7) 雷射腔長為8cm，output coupler反射率為98%，在不同pumping current下所得到的W0、W2值 49[[note]]學號: 693180548, 學年度: 9