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研究生: 陳證文
論文名稱: 第一型相位匹配腔內倍頻二極體激發式固態雷射之綠光雜訊與PTR Grating 特性之研究
指導教授: 楊士禮
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電機資訊學院 - 光電工程研究所
Institute of Photonics Technologies
論文出版年: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 82
中文關鍵詞: 綠光雜訊
外文關鍵詞: green noise
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  • 腔內倍頻二極體激發的固態雷射,由於腔內不同縱向模態間互相耦合,使得倍頻輸出訊號有著極劇烈的擾動現象,限制了雷射的發展與應用,此即所謂的綠光雜訊 (green problem),因此解決綠光雜訊為提高雷射應用的首要目標。
    根據文獻上所提供的rate-equation,我們模擬第一型相位匹配的綠光雜訊行為;在實驗部份我們設計了兩種雷射共振腔,分別為Nd︰YCOB 自倍頻晶體與Nd︰GdVO4 雷射晶體和 BIBO 倍頻晶體所組成的雷射共振腔,期望操作在g=0 的情況下,消除不同偏振方向模態間的耦合來達成消除雜訊的目的,結果發現,當模態數大於1個時,雖然 g=0 可以消除不同方向模態間的混頻,但是同方向上模態互相耦合的情形依然會造雜訊的產生,對第一型相位匹配的晶體而言,若要真正消除綠光雜訊,必須將共振腔內模態數減少至1個模態。
    最後,我們將一個 Volumetric Bragg Grating 置入共振腔中,利用它窄頻的特性,希望將共振腔內的模態數控制為單模操作,以期能達到消除綠光雜訊的效果。而實驗結果也發現,在單模操作之下,綠光倍頻輸出頗為穩定,一但腔內模態數大於1個,便有綠光雜訊產生,與模擬或是先前實驗結果符合。因此,Volumetric Bragg Grating的確能有效的減少腔內模態數目,甚至達到單模操作。


    Due to the coupling between longitudinal modes in the intracavity doubled diode-pumped solid-state (DPSS) laser, large amplitude fluctuations have been observed in the green output. It restricts the development and applications of intracavity doubled DPSS laser, and this phenomenon knows as the “Green Problem”. In order to improve the applications of intracavity doubled DPSS laser, solving the green problem is the first target.
    According to the rate-equations which were done in the previous work, we simulate the behavior of the Type I phase matching green output. In the experiment, we design two kinds of laser cavities, individually including self-frequency doubling crystal (Nd︰YCOB) laser system and Nd︰GdVO4 & BIBO double crystals laser system. We try to reduce the green noise which caused by coupling between different polarization modes by operating at g=0, but it cannot restrain the coupling modes in the same polarization when the number of modes in the laser cavity is larger than one. So, if we want to lower the Type I phase matching green noise, the most efficient method is single mode operation.
    Finally, we hope to reduce the green noise by putting a Volumetric Bragg Grating into the cavity. In the experimental results, we really observe the stable green output when single mode operation in the laser cavity; also we can observe green noise when two modes survive in the cavity. Consequently, the method of putting a Volumetric Bragg Grating into the cavity is really reducing the number of modes in the cavity, and possible to obtain single mode operation.

    目錄 致謝 中文摘要 英文摘要 目錄 圖目錄 表目錄 第一章 序論 第二章 理論 2-1 雷射原理 2-2 晶體非線性光學理論 2-3 相位匹配原理 2-4 綠光雜訊由來 2-5 解決綠光雜訊的文獻回顧 第三章 實驗模擬與架構 3-1 Type I 綠光雜訊模擬 3-2 實驗架構 3-2-1 Nd︰YCOB晶體簡介 3-2-2 Nd︰YCOB實驗架構與結果 3-2-3 Nd︰GdVO4 & BIBO晶體特性簡介 3-2-4 Nd︰GdVO4 & BIBO實驗架構與結果 3-3 小結 第四章 Photo-Thermal Refractive Bragg Grating 4-1 Bragg Grating 特性 4-2 理論與實驗架構 4-3 雜訊與模態量測 4-4 小結 第五章 結論與未來展望 參考文獻 圖目錄 第一章 圖1-1-1 綠光雜訊圖 第二章 圖2-1-1 輸出功率與激發光源功率的關係圖 圖2-2-1 極化密度(P)與電場(E)的關係 圖2-2-2 SHG 圖2-2-3 SFG 圖2-2-4 DFG 圖2-2-5 光整流示意圖 圖2-2-6 當晶體長度L固定時,倍頻轉換效率與的關係 圖2-3-1 負單軸晶體相位匹配 圖2-3-2 溫度相位匹配,最佳相位匹配 圖2-3-3 無相位匹配情形 圖2-4-1 腔外倍頻結構 圖2-4-2 腔內倍頻結構 圖2-4-3 mode 1與mode 2耦合情況 圖2-5-1 腔內倍頻架構 圖2-5-2 兩個倍頻晶體的e軸夾角為90° 第三章 圖3-1-1 M=3,N=0倍頻輸出 圖3-1-2 M=2,N=1倍頻輸出 圖3-1-3 M=1,N=2倍頻輸出 圖3-1-4 M=0,N=3倍頻輸出 圖3-1-5 時g的函數圖形 圖3-1-6 時的等高線圖 圖3-1-7 時,g的函數圖形 圖3-1-8 時的等高線圖 圖3-2-1 YCOB晶體結構圖 圖3-2-2 YCOB晶體晶軸圖 圖3-2-3 YCOB相位匹配角 圖3-2-4 Nd:YCOB晶體的吸收頻譜 圖3-2-5 Nd:YCOB晶體的放射頻譜 圖3-2-6 Nd︰YCOB實驗架構圖 圖3-2-7 激發光源與倍頻光之間的關係 圖3-2-8 僅有兩面包銅時的綠光雜訊 圖3-2-9 Nd︰YCOB四面包銅後的綠光輸出與模態個數 圖3-2-10 激發光源675 mW時的綠光輸出與模態個數 圖3-2-11 Nd︰GdVO4吸收譜線圖 圖3-2-12 Nd︰GdVO4螢光譜線圖 圖3-2-13 Nd︰GdVO4四能階電子躍遷圖 圖3-2-14 BIBO穿透波段 圖3-2-15 BIBO第一型相位匹配曲線圖 圖3-2-16 雙晶體綠光雷射架構圖 圖3-2-17 808 nm激發光源聚焦後的驅動電流與輸出關係圖 圖3-2-18 輸出光功率與激發光源功率關係圖 圖3-2-19 1.4 W激發光源下的綠光輸出與基頻模態數 圖3-2-20 14.5 mW綠光輸出的雜訊行為 圖3-2-21 1 W激發光源下的綠光輸出(7.5 mW)與基頻模態數 圖3-2-22 7.5 mW綠光輸出的雜訊行為 第四章 圖4-1-1 PTR glass在紫外光譜線吸收情形 圖4-1-2 曝照光能量與折射率改變的關係 圖4-1-3 反射式Bragg grating的厚度與波長半高寬的關係 圖4-1-4 Ti:sapphire 雷射的模態圖形 圖4-1-5 Cr:LiSAF 雷射的發射光譜 圖4-2-1 Bragg condition 圖4-2-2 測量 Bragg grating 一階繞射角度 圖4-2-3 V型共振腔結構圖 圖4-3-1 DK-30808 Diode Laser 輸出功率圖 圖4-3-2 有效的激發功率 圖4-3-3 達到穩定時的模態情形 圖4-3-4 P808=2.227 W & P531=5.43 mW 時,雜訊與模態的情形 圖4-3-5 P808=2.64 W & P531=8.75 mW 時,雜訊與模態的情形 圖4-3-6 P808=3.08 W & P531=7.86 mW 時,雜訊與模態的情形 圖4-3-7 P808=2.227 W 且無風扇散熱時,綠光輸出為 2.86 mW 圖4-3-8 P808=2.64 W 且無風扇散熱時,綠光輸出為 4.71 mW 圖4-3-9 P808=3.08 W 且無風扇散熱時,綠光輸出為 3.28 mW 圖4-3-10線型共振腔長度為 25 cm 的基頻光輸出情形 圖4-3-11 V 型共振腔的基頻光輸出功率圖 圖4-3-12 縮短長度後的V型共振腔結構圖 圖4-3-13 V型共振腔輸出光功率與激發光源功率關係圖 圖4-3-14 驅動電流為 13 A ,綠光功率為 3.5 mW 時的模態圖形 圖4-3-15驅動電流為 13 A ,綠光功率為 3.5 mW 時的雜訊圖形 圖4-3-16 驅動電流為 14 A ,綠光功率為 5.7 mW 時的模態圖形 圖4-3-17 驅動電流為 14 A ,綠光功率為 5.7 mW 時的雜訊圖形 圖4-3-18 驅動電流為 15 A ,綠光功率為 9.2 mW 時的模態圖形 圖4-3-19 驅動電流為 15 A ,綠光功率為 9.2 mW 時的雜訊圖形 圖4-3-20 驅動電流為 16 A ,綠光功率為 14.3 mW 時的模態圖形 圖4-3-21 驅動電流為 16 A ,綠光功率為 14.3 mW 時的雜訊圖形 圖4-3-22 驅動電流為 17 A ,綠光功率為 18.5 mW 時的模態圖形 圖4-3-23 驅動電流為 17 A ,綠光功率為 18.5 mW 時的雜訊圖形 表目錄 表1 摻釹釩酸鍺晶體光學特性 表2 Nd︰GdVO4與Nd: YVO4特性比較 表3 BIBO結構與物理特性 表4 BIBO的光學特性

    參考文獻
    [1]William T. Silfvast, “Laser Fundamentals,”(Center for Reserch and Education in Optics and Lasers and Department of Physics and Electrical/Computing Engineering University of Central Florida) pp.221-234
    [2]Kelin Kuhn, “Laser Engineering,”(University of Washington) pp.131-160 [3]BAHAA E.A.SALEH,MALVIN CARL TEICH,“Fundamentals of Photonics”,Chap.18. (1991)
    [4]Prof. Yen-Chieh Hung,“Principles of Nonlinear Optics Course Reader”,Chap.1,Chap.5. (2002)
    [5]T.Baer, “Large-amplitude fluctuations due to longitudinal mode coupling in diode-pumped intracavity-doubled Nd:YAG lasers,” J . Opt. Soc. Am. B, 3, 1175-1180 (1986)
    [6]Dehua Li, Changhong Zhu, Voller Gaebler, “Theoretical and experimental studies of noise suppression for intracavity frequency doupled lasers with phase matching typeⅠorⅡ,”Opt. Commun. Vol. 189, 357-364 (2001)
    [7]Volker Gaebler, Baining Liu, and Hans Joachim Eichler, Zhiguo Zhang, Dezhong Shen, “Efficient blue cw Nd:YAG microchip laser with two intracavity frequency doublers,” Opt. Lett. Vol. 25, 1343-1345 (2000)
    [8]Q.Ye,“Investigation of self-frequency doubling crystals,YCa4O(BO3)¬3,doped with neodymium or ytterbium”,a dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor, Chap.1, Chap.2, Chap.3, (1999)
    [9]M.Iwai,T.kobayashi,I.Furuya,Y.Mori,T.Sasaki,Jpn.J.Appl.Phys.36, L276-L279 (1997)
    [10]Michael V. Pack, Darrell J. Armstrong, and Arlee V. Smith, “Measurement of the χ(2) tensor of GdCa4O(BO3)3 and YCa4O(BO3)3 crystals,” Vol. 22, J. Opt. Soc. Am. B, 417-425 (2005)
    [11]Jean-Philippe Fe`ve, Bertrand Me´naert and Julien Zaccaro, Ge´rard Aka, Denis Pelenc, “Linear and nonlinear optical properties of the monoclinic Ca4YO(BO3)3 crystal,” Vol. 21, J. Opt. Soc. Am. B, 765-769 (2004)
    [12]Daniel Jaque, “Optimum conditions for ultraviolet-laser generation based on self-frequency sum mixing in Nd31-activated borate crystals,” J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 19, 1326-1334(2002)
    [13]Q.Ye,L.Shah,JEichenholz,D.Hammons,R.Peale,M.Richardson,A.Chin,B.H.T.Chai,“Investigation of diode-pumped,self-frequency doubled RGB lasers from Nd:YCOB crystals.”Opt. Commun. Vol. 164, 33-37 (1999)
    [14]A. Minassian, B. A. Thompson, G. Smith, and M. J. Damzen, “High-Power Scaling (>100 W) of a Diode-Pumped TEM00 Nd:GdVO4 Laser System,” IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 11, 621-625 (2005)
    [15]H. Zhang, J. Liu, J. Wang, C. Wang, L. Zhu, Z. Shao, X. Meng, X. Hu, and M. Jiang, “Characterization of the laser crystal Nd:GdVO4,” J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 19, 18-27 (2002)
    [16]C. DU, Z. Wang, J. Liu, X. Xu, B. Teng, K. Gu, J. Wang, Y. Liu, Z. Shao, “Efficient intracavity second-harmonic generation at 1.06 μm in a BiB3O6 (BIBO) crystal,” Appl. Phys. B, 215–217 (2001)
    [17]H. Hellwig, J. Liebertz, and L. Bohaty´, “Linear optical properties of the monoclinic bismuth borate BiB3O6,”J. Appl. Phys. Vol. 88, 240-244 (2000)
    [18]Oleg M. Efimov, Leonid B. Glebov, Larissa N. Glebova, Kathleen C. Richardson, and Vadim I. Smirnov,“High-efficiency Bragg gratings in Photo-thermo-refractive glass,” Appl. Opt. Vol. 38, 619-627 (1999)
    [19]George B. Venus, Armen Sevian, Vadim I. Smirnov, Leonid B. Glebov, “High-brightness narrow-line laser diode source with volume Bragg-grating feedback,”Proc. of SPIE, Vol. 5711, 166-176 (2005)
    [20]Te-yuan Chung, Alexandra Rapaport, Vadim Smirnov, Leonid B. Glebov, Martin C. Richardson, and Michael Bass, “Solid-state laser spectral narrowing using a volumetric photothermal refractive Bragg grating cavity mirror,” Opt. Lett. Vol.31, 229-231 (2006)

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