光二极体泵浦固态雷射中混沌振子耦合之研究.PDFVIP

新進教師研究計畫 光二極體泵浦固態雷射中混沌振子耦合之研究 計畫主持人：魏明達 成功大學光電工程學系 一、 前言 有關振子耦合（coupled oscillator）的研究中 ，由於個別振子的初始行為經由耦合效應 的介入將使整體行為產生改變， 其最終行為依振子結構及耦合形式來決定 。這些行為像在像醫 學[1] 、生物學[2] ，電化學[3] ，及雷射耦合系統[4]等各領域多有研究報導。隨著混沌現象 引起科學界的重視，混沌吸子間交互作用更 成為重要的議題，特別是混沌同步 [5-7]和混沌抑 制 [8-9] ，這兩種現象不僅在物理特性上有深入研究的價值，在實用上也有許多論文提出其應 用性。 [10-11] 在雷射系統中，1994 年首次報導混沌振子同步的實驗結果[4] ，後續也在兩獨立Nd:YAG 雷射中觀測到相位同步現象，在雙向耦合系統下，隨著耦合強度的增加，兩系統經相位同步達 到完全同步[12] 。然而在雷射混沌抑制的研究中，藉由調製耗損可在雙波長 CO雷射中觀測到2 主雷射系統消失而從雷射由抑制震盪至穩定態，這是目前我們唯一收尋到報導在雙雷射系統中 的混沌抑制現象 [13] ，不過，該實驗並無提及達成兩雷射同時抑制到穩定態。 綜觀目前在雷射混沌同步及抑制現象的研究，隨著耦合強度的改變，耦合系統呈現複雜的 關連行為，像同步與抑制這兩種看似兩極端的關連，可能在耦合強度的增加路徑中會同時呈現 出，其間的交互作用是個值得深入研究的議題。我們實驗室在國科會經費支持下，在雙雷射的 混沌同步 [14]及混沌抑制 [15研究中，均有成果發表。] 此計畫希望將從純混沌雷射的耦合，跨 越到雷射與其他振子（如Lorentz混沌電路）的交互作用，以期利用其他振子藉由同步來調控 雷射混沌，以及利用混沌抑制來穩定雷射等應用。 二、 研究目的 本計畫的研究重點在觀測雷射系統中的幾何共振現象。幾何共 振是說：當一個調制的振子 系統，在第二個調制系統的加入，會使原系統產生enhancement和 suppression ，其中兩系統 頻率比值需維持為有理數，而提升與抑制效應取決於，兩訊號的相位差。在架設上，我們可將 兩任意波形訊號同時輸入laser mount 端進行調制，同時將第一調制訊號同步輸出端利用相位 延遲電路再接入第二調制訊號的入同步端，調整兩任意波形產生器的相位。由於我們需同時觀 測兩調制訊號波形以及雷射輸出的經快速偵測器接收到的訊號，探討訊號之間的關係。在理論 分析部分，同樣以Collin積分及速率方程式的疊代，其中速率方程式中泵源功率部分簡單的     考慮直流功率 p加上a sin t a sin t 的調制 ，其中，調制深度則為 a1/p及 a2/p ，1 1 1 2 2 及2為兩調制訊號頻率，為兩調制訊號的相對相位差，進行模擬與實驗相驗證 三、 研究方法 在雷射架構上以最簡單的平凹腔為研究對象，我們將以訊號與電流源直接調制 808nm的 半導體雷射，再利用半導體雷射泵浦 Nd:YVO晶體。4 實驗架構如圖 一所示 為雙弦波調制系統 ， 其中 FG 為函數產生器(Agilent 33250A ；80MHz) ；LD 為二極體雷射；O 為物鏡(Newfocus MODEL 5724 ，20x ，NA=0.5) ，F 為聚焦透鏡(f=75mm) ；Nd:YVO 為摻雜濃度達 2%的晶體； 4 OC 為曲率 80mm反射率為 90﹪的輸出耦合鏡；PD 為光偵測器(InGaAs PIN Detector ET-3000) ； OS 為示波器(Agilent infiniium 54830B ；600MHz-4GSa/s) ；RFSA 為頻譜分析儀(Agilent E440B ； 9kHz-3GHz) 。 圖 一實驗架構圖 除了利用雙弦波調制外，我們也自製 Lorentz電路，在將 Lorentz電路的 Z輸出與電流源 同時驅動半導體雷