雷射 Laser

光泵浦是原子礦石分子中的電子從較低能階激發（或「泵浦」）到較高能階的過程。
在本實驗中，我們使用二極體雷射和釹 (Nd) 原子作為泵浦光源，這些原子位於釔鋁石榴石 (YAG) 形成的晶格中。
這種材料（縮寫Nd:YAG）是最重要的雷射材料之一。
一開始，Nd:YAG 是由閃光燈泵浦的。後來為了提高效率，使用了二極體雷射，其發射波長幾乎被完全吸收，而閃光燈的光僅有約5%被吸收。

該實驗提供了安裝在帕帖爾元件（制冷晶片）上的二極體雷射。透過改變溫度，可以將二極體雷射的波長調整為 0.25 nm/°C。在 10 - 60°C 的溫度範圍內，涵蓋 12.5 nm 的光譜範圍，可測量 Nd:YAG 晶體的光譜吸收。透過使用知名的 Nd:YAG 吸收峰值，可以確定二極體雷射的發射波長。

此外，可以週期性地打開和關閉二極體雷射的注入電流，就能夠用示波器記錄 Nd:YAG 晶體螢光的時間衰變。測得之壽命的倒數是自發性發射的愛因斯坦係數。
透過可選的光譜儀，可以記錄和列印 Nd:YAG 晶體以及二極體雷射的螢光光譜。

相關主題：
• Optical Pumping
• Nd:YAG Crystal
• Absorption Spectra of Nd:YAG
• Lifetime of Excited States
• Einstein Coefficient
• Spontaneous Emission
• Real Time Fluorescence Spectra

• 光泵浦
• Nd:YAG晶體
• Nd:YAG 的吸收光譜
• 激發態的壽命
• 愛因斯坦係數
• 自發性發射

在1960年，T. Maiman實現了第一台雷射器，即紅寶石雷射器，它開啟了雷射科學和光學技術既巨大又持續的發展。
回顧雷射歷史，Maiman著名的紅寶石雷射器啟動了一項令人著迷的發展，這也導致了此處所使用的強大微型二極體雷射的發明，現在可以用於泵浦紅寶石雷射器，讓它成為了一個緊湊且低成本的雷射設置，非常適合展示和教育目的。

這種實驗性的紅寶石雷射可以透過兩條R線震盪來研究螢光和雷射光譜的觀察。
透過調變泵浦二極體雷射研究了三能階雷射系統的動力學。
看來，使用這個系統，“雷射奧德賽”將找到美滿的結局。

相關主題：
• Theodore Maiman
• Three-level laser
• Blue diode pumping
• Absorption spectra
• Emission spectra
• Excited state lifetime measurement
• Laser threshold
• Laser spiking
• CW and pulsed Ruby laser

• 西奧多·梅曼
• 三能階雷射
• 藍色二極體泵浦
• 吸收光譜
• 發射光譜
• 激發態壽命測量
• 雷射閾值
• 雷射尖峰
• 連續波和脈衝紅寶石雷射器

氦氖（HeNe）雷射儘管簡單，但由於其優越的光束品質和同調性，仍具有許多應用。
在所有物理教科書中，這種雷射代表了氣體雷射的類別，是 Ali Javan 在 Theodore Maiman 展示了紅寶石雷射的首次操作後於1960 年發明的第一台氣體雷射。

由於氦氖雷射可以連續運行且容易在實驗室中製造，它成為了許多科學研究和理論預測的樣本。
它從光學共振器理論、多普勒展寬腔內雷射活性材料、光譜燒孔（Lamb低谷）、單模操作、同調性和腔內吸收（逆Lamb低谷）等方面開始，而以上所列只是其中的一些。
對於技術應用，由於其優越的光束品質和同調性，氦氖雷射仍被用作輔助儀表標準，並且在每架飛機或船上都存在，作為導航的雷射陀螺儀。

此實驗設計為一個開放式結構，所有組件都可以自由排列在穩定的光學導軌上。
討論了模式選擇特性、光學穩定性範圍和所用腔的 ABCD 矩陣形式的驗證。
使用雙折射濾光片以及利特羅棱鏡進行波長選擇，並研究了腔內使用的平行板的效果。
提供光電探測器以測量相對輸出功率及一個用於1公尺長光學導軌的對準雷射器，以及所有必要的支架和調節器。
為了實現模式結構的可視化，可以使用「Fabry Perot」擴展或使用電子頻譜分析儀來測量模式拍頻率。

光學共振器由兩個精密調整支架形成，用於共同的1/2英寸可更換鏡片，其半徑不同。
為了方便調整，一開始就安裝了一個「綠色」導引雷射作為對準輔助工具。
將雷射管安裝到 XY 調節裝置中，用作校準輔助工具。

相關主題：
• HeNe Energy Level Diagram
• ABCD Law & Resonator
• Optical Gain
• Optical Stability Criteria
• Cavity Alignment
• Output Power vs Discharge Current
• Gaussian Beams
• Line & Mode Selection
• Crystal Optics
• Birefringent Filter
• Spectrum Analyser
• Free Spectral Range
• Lamb Dip
• Intra-Cavity Iodine Cell

• 氦氖能階圖
• ABCD 定律與共振器
• 光增益
• 光學穩定標準
• 型腔對準
• 輸出功率vs放電電流
• 高斯光束
• 線路和模式選擇
• 晶體光學
• 雙重折射濾光片
• 頻譜分析儀
• 自由光譜範圍
• Lamb低谷
• 腔內碘池

二極體雷射與大多數的「傳統」雷射有兩個不同之處：

首先，它們不具有固有定義的確定波長。雷射躍遷不是在兩個確定的能級之間發生，而是在兩個能帶之間發生。
其次，與傳統雷射中的共振器不同，雷射二極體的腔體是由二極體的pn接面所定義的。

這些實驗研究了發射出來的雷射波長隨溫度和電流變化的情況。同時，還對雷射發射的發散度和偏振進行了檢查。實驗裝置包括一個現代 30 mW 綠光 (525 nm) 雷射二極體，具有整合式的帕帖爾元件（制冷晶片）、支架與驅動器。配備了聚焦光學元件、透鏡和偏振分析器以及一個光電二極體探測器。
頻譜分析儀可作為選購品。所有的光學支架和定位器都已包含在內。
雷射二極體安裝在一個旋轉台中，該旋轉台可獨立繞著光束傳播軸以及垂直於該軸旋轉，以測量發射雷射光線的空間分佈。

運用偏振器來分析不同注入電流值的偏振。光譜分析儀則會用於測量透過改變溫度和注入電流而引起的波長變化，每°C大約變化0.05 nm。
二極體雷射控制器的溫度範圍可以從10°C至60°C 之間變化，這會導致 2.5 nm 的偏移。溫度和注入電流會由控制器來穩定與顯示。建議使用示波器來抑制干擾的環境光。在這種情況下，一些測量會使用調變二極體雷射進行。

相關主題：
• Green (520 nm) Laser Diode
• Twofold rotational stage
• Spatial intensity distribution
• Beam profile
• Cylindrical lenses
• Beam shaping
• Photodetector

• 綠光 (520 nm) 雷射二極體
• 雙折旋轉台
• 空間強度分佈
• 光束輪廓
• 柱面透鏡
• 光束整形
• 光電探測器

連續操作的二極體雷射可提供從幾毫瓦到幾百瓦的功率。它們也可以在脈衝模式下運行，但脈衝功率略高於連續功率。脈衝二極體雷射只能發射極短時間的脈衝(僅幾納秒)，但峰值功率非常高，可達數千瓦的範圍。當需要像測距儀、光時域反射計 (OTDR) 或光達 (LIDAR) 這類需要像閃光燈的輸出時，這種二極體雷射非常有用。

本實驗配備了一台脈衝二極體雷射，發射波長為905 nm、最大峰值功率為70W、脈衝寬度為100奈秒。峰值功率和脈衝寬度都可以在一定範圍內進行調整。學生們將透過在數位示波器上顯示的即時行為來研究這些參數。光學和電氣放電脈衝均受到監控。
二極體雷射是透過預先加載電容器的放電來運作的。充電電壓和放電時間對發射功率的影響都會被記錄下來並討論。

測量二極體雷射的光學特性，如空間光束分佈，並隨後進行準直，形成幾乎平行的光束。此外，使用偏振分析儀測量二極體雷射發射的偏振。

相關主題：
• Semiconductor laser
• Types of pulsed diode laser
• Laser pulse and Peak Power
• Duty cycle
• Repetition Rate
• Average output power
• Spatial radiation distribution
• Polarization Analysis
• Energy measurement

• 半導體雷射
• 脈衝二極體雷射的類型
• 雷射脈衝和峰值功率
• 佔空比
• 重複頻率
• 平均輸出功率
• 空間輻射分佈
• 偏振分析
• 能量測量

與 Nd:YAG 雷射器結合使用的光泵浦特別令人感興趣，因為它們與 CO2 雷射器一樣，都已被廣泛應用在工業用途中。
在這個Nd:YAG雷射中，透過光泵浦激發的雷射活性材料是由容納在透明YAG主晶體（釔鋁石榴石）中的釹原子所組成。

直到幾年前，Nd:YAG 雷射還總是使用放電燈泡來進行激發，但後來使用雷射二極體進行光泵浦變得越來越重要。這是因為雷射二極體不僅經濟實惠，而且它們以高光功率發射的窄帶光，與 Nd:YAG 晶體的能階相匹配。和放電燈泡相比的優點在於，雷射二極體的發射幾乎能完全被 Nd:YAG 吸收，而放電燈所發射的光譜非常寬，僅有少量被吸收。




圖A. LE-0600 半球形腔二極體泵浦 Nd:YAG 雷射器 (Diode pumped Nd:YAG Laser with hemi-spherical cavity)





圖B. LE-0600 帶有同心腔的二極體泵浦 Nd:YAG 雷射器 (Diode pumped Nd:YAG Laser with concentric cavity)

解釋了四級系統，對 Nd:YAG雷射進行了理論分析，並推導出速率方程模型。提出了穩態解決方案，並考慮了動態情況來研究尖峰。
除了半球形空腔（圖 A.）外，還可以設置同心空腔（圖 B.）。在這種情況下，Nd:YAG 棒僅具有抗反射塗層，並放置在腔體的中心。
該套件包含所有組裝二極體泵浦Nd:YAG 雷射所需的組件- 一個帶驅動器和Peltier 控制器的1 W二極體(LD)、準直(CO) 和聚焦光學元件(FL)、Nd:YAG晶體(ND )、雷射反射鏡(M1)、帶濾光片 (FI) 的光電二極體探測器 (PD) 以及所有必要的安裝座等。

共振器的穩定性標準得到了實驗性的驗證。證明了泵浦波長對二極體溫度和驅動電流的依賴性，並推導出了Nd:YAG 的吸收光譜。透過使用一些附加模組，可以將此基本設置升級為 LE-0700「KTP倍頻」或LE-0800「短脈衝生成」。此外，還有用於 1.3 µm 振盪的組件（包括倍頻至「紅色」或主動或被動 Q 開關）可供選擇。

相關主題：
• Properties of Diode laser
• Optical Pumping
• Rate Equation Model
• Static and dynamic laser behavior
• Output Power
• Optical Resonator
• Resonator Stability Criterion
• Transverse Modes
• Spiking
• Hemi Spherical Resonator
• Spherical Resonator
• Laser Line Tuning

• 二極體雷射的特性
• 光泵浦
• 速率方程模型
• 靜態與動態雷射行為
• 輸出功率
• 光共振器
• 共振器穩定性標準
• 橫向模式
• 尖峰
• 半球形共振器
• 球形共振器
• 雷射線調諧