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研究生： 張紘瑋
Zhang, Hong-Wei
論文名稱： 摻鐿鎢酸釓鉀雙晶體再生雷射放大器
Yb:KGW dual-crystal regenerative amplifier
指導教授： 陳明彰
Cheng, Ming-Chung
口試委員: 林明緯
Lin, Ming-Wei
李建中
Li, Jian-Zhong
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： 2022
畢業學年度： 110
語文別： 中文
論文頁數： 54
中文關鍵詞： 再生放大器 、飛秒雷射 、脈衝雷射 、啁啾放大器
外文關鍵詞： regenerative ampilifier, Yb:KGW, fslaser, CPA
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    • 我們實驗室致力於發展極紫外光光源以及後端應用，為了得到更亮的EUV光源，我們開始自己發展高能量短脈衝的雷射，這套系統主要分為雙晶體再生雷射放大器與脈衝延展壓縮器，再生雷射放大器將能量奈焦耳的脈衝藉由多次在共振腔內行走汲取增益放大能量至毫焦耳，並且利用晶體a、b軸有著不同增益峰值在不同的波長將脈衝的頻寬拉寬去得到更短的轉換極限脈衝(transform-limited pulse)。
    此套系統的核心為雙晶體再生放大器，是一個利用勃克爾盒配合電子訊號改變光偏振的方式將種子雷射鎖在共振腔裡放大至飽和才放出，並且利用晶體兩個軸對於不同偏振的光有不同的增益頻譜。此外還會配合一套脈衝延展壓縮器，利用光柵分光的特性和光路的設計，讓不同波長的光在時域上分開，去避免放大過程中脈衝尖峰功率過高破壞共振腔的元件。
    最後，成功將1.46 nJ的脈衝放大至1.1 mJ，總增益約為106，脈衝頻寬為13 nm，而壓縮完的脈衝時寬為222 fs。

    Dual-crystal regenerative amplifier and pulse compressor(and stretcher) are the main points in this project. Regenerative amplifier let the pulse be amplified from nanojoules to millijoules. And Yb:KGW has different gain spectrum peak at different axis, we use this characteristic to make the laser pulse bandwidth become broadening. According to Fourier transform rule, we can get a shorter TL pulse.
    The system core is regenerative amplifier which use pockel cell to change the laser seed polarization and confine the pulse inside the cavity until reaching the gain saturation. In addition, we use the chirped pulse technique (pulse stretcher and pulse compressor to make different wavelength light separate in time) to avoid components damage.
    Finally, we success to amplify the pulse from 1.46 nJ to 1.1 mJ. Total gain reaches 106 with a bandwidth of 13 nm. After the pulse compression, pulse duration become 222 fs.

    目錄 論文授權書 I 論文指導教授推薦書 II 摘要 III Abstract IV 致謝詞 V 一、緒論 5 研究動機與目的 5 1-1雷射基本原理 6 1-2再生雷射放大器基本原理 9 1-3啁啾脈衝放大 12 1-4脈衝延展與壓縮器原理 14 1-5Yb:KGW物理特性 16 二、實驗架構與設計 19 2-1系統架構設計 19 2-2 B-integral 22 2-3共振腔設計 24 2-4單光柵脈衝延展與壓縮器設計 28 三、實驗測試與結果 31 3-1激發光源 31 3-2 CW mode實驗 33 3-3晶體對於不同偏振態吸收率實驗 38 3-4勃克爾盒調變 39 3-5脈衝延展器結果 41 3-6再生放大器放大結果 44 3-7脈衝壓縮器結果 49 四、結論與未來展望 52 參考文獻 54 圖表目錄 圖1- 1- 1雷射基本架構 6 圖1- 1- 2光電轉換機制 7 圖1- 1- 3三能階系統示意圖 8 圖1- 2- 1光偏振改變前 9 圖1- 2- 2光經過兩次四分之一波片後 10 圖1- 2- 3勃克爾盒開啟後的光偏振態 10 圖1- 2- 4勃克爾盒關閉後的光偏振態 11 圖1- 3- 1啾頻脈衝放大的基本概念 13 圖1- 4- 1脈衝延展器架構圖 14 圖1- 4- 2脈衝壓縮器架構示意圖 15 圖1- 5- 1摻鐿鎢酸釓鉀晶體實體圖 16 圖1- 5- 2摻鐿鎢酸釓鉀晶體各軸吸收及受激放射截面積 17 圖2- 1- 1系統架構設計 19 圖2- 1- 2種子雷射頻譜 20 圖2- 1- 3 種子雷射近場束流剖面 20 圖2- 1- 4晶體軸示意圖 21 圖2- 3- 1光束半徑在共振腔的變化 24 圖2- 3- 2共振腔的穩定度計算 25 圖2- 3- 3共振腔設計圖 27 圖2- 4- 1脈衝延展與壓縮器設計圖 28 圖3- 1- 1激發光源聚焦到晶體架構圖 31 圖3- 1- 2激發光源的光束大小隨距離變化 32 圖3- 2- 1 1.6%KGW CW LI-CURVE 34 圖3- 2- 2兩顆1.6%KGW CW LI-CURVE 34 圖3- 2- 3兩顆2%KGW CW LI-CURVE 35 圖3- 2- 4 A軸+B軸CW LASING SPECTRUM 36 圖3- 2- 5 A軸和B軸CW LASING SPECTRUM 36 圖3- 2- 6不同軸REGENERATIVE LASING SPECTRUM 比較 37 圖3- 3- 1激發光源的光束吸收率實驗架構圖 38 圖3- 3- 2不同偏振激發光源的吸收率比較圖 38 圖3- 4- 1電光晶體實體圖 39 圖3- 4- 2 PD量測到的上升下降時間 40 圖3- 5- 1脈衝延展器實際光路圖 41 圖3- 5- 2脈衝延展器後遠場光束剖面圖 42 圖3- 5- 3脈衝延展器後近場光束剖面圖 42 圖3- 5- 4脈衝延展器後頻譜分布圖 43 圖3- 6- 1雙晶體再生放大器架構圖 44 圖3- 6- 2脈衝在共振腔的放大過程 45 圖3- 6- 3再生放大器LI-CURVE 45 圖3- 6- 4再生放大器出光頻譜 46 圖3- 6- 5 9HOURS-LONGTERM STABILITY 47 圖3- 6- 6在生放大器輸出近場光束剖面 47 圖3- 6- 7在生放大器輸出遠場光束剖面 47 圖3- 7- 1脈衝壓縮器實驗架構圖 49 圖3- 7- 2二次諧波頻域分辨光學開關實驗架構圖 49 圖3- 7- 3在生放大器輸出光壓縮後電場分布 50 圖3- 7- 4 實際電場分布與圖3-6-4傅立葉傳換的TL電場分布比較 51 圖3- 7- 5 RETRIEVE SHG FROG TRACE 51

    [1] https://eksmaoptics.com/femtoline-components/femtoline-nonlinear-laser-crystals/yb-kgw-and-yb-kyw-laser-crystals/
    [2] G H Kim et al., “High-Power Diode-Pumped Short Pulse Lasers Based on Yb:KGW Crystals for Industrial Applications”, (2016)
    [3] J. E. Hellström, “Efficient Yb:KGW lasers end-pumped by high-power diode bars”(2006)
    [4] Huijun He, “A Yb:KGW dual-crystal regenerative amplifier”, High Power Laser Science and Engineering, (2020)

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