1.1 研究動機
在現今生活中，固態雷射的應用已非常廣泛，不論是在工業上、醫療 上、國防工業中，處處可見其雷射的應用。以往固態雷射常用的激發光源 乃是惰性氣體電弧燈(flash lamp)(亦即燈內充入氪等惰性氣體），但其電光 轉換輸出的效率極差(小於15％)，因其輻射光譜太寬，固態介質的吸收譜帶 有限，絕大部分輸入的能量皆被工作物質及共振腔所吸收，其他無用的紫 外輻射，使固態介質的壽命降低，多餘的紅外輻射加熱了晶體的溫度，進 而造成系統溫度升高熱效應嚴重的現象，使得輸出光束品質不佳，光轉換 效率差；加上本身體積大，增加了組合成雷射系統的空間限制；且惰性氣 體電弧燈的使用壽命短。
然而，二極體激發固態雷射(Diode-Pumped Solid-State Laser，簡稱 DPSSL)，實現了高轉換效率、結構的緊密性佳、可靠度高的特性。由於雷 射二極體體積小，易於緊密貼合散熱導槽(Heat Sink)冷卻系統上，以水冷卻 或是致冷晶片散熱，可減小冷卻系統的空間，在組合成雷射系統時緊密性 佳，結構簡單，安裝、調整、維修都方便，且雷射二極體使用壽命長，典 型的壽命為105~109小時。以二極體激發的光源，可針對固體工作介質的吸
收光譜，來選擇其匹配的二極體激發光源，減少激發光對固體工作介質輻 射損耗造成的熱效應，使二極體激發光源完全匯聚在工作介質上，進而增 加輸出功率及更好的光束品質，轉換效率可高達25%以上。二極體激發固 態雷射，在應用領域非常廣闊，如(表1-1)所示為目前已知DPSSL雷射熱門 應用領域。
而在固態二極體雷射中，以激發方式的不同，可分為端面激發(end- pumping)與側面激發(side- pumping)兩種方式，由輸出光功率的大小及輸出 光束的品質特點來區分，側面激發固態二極體雷射具有較高的光功率輸出，
但輸出光束品質不佳為多模結構，常應用在高功率的加工，如焊接、切割 等不要求模態品質的加工上；端面激發固態二極體雷射擁有高密度的激發 功率與較好的光束品質，是中小功率常用的一種方式，以現今產品追求輕、
薄、短、小的情況下，端面激發二極體雷射的應用，常應用在工業上微加 工與製程的改善更是不勝枚舉。例如:在我工作上實際的應用:客戶為背光導 光板的製造廠，在製做背光導光板網點的模板時，希望從傳統的濕蝕刻製 程，改為乾式蝕刻的雷射製程，以減少研發模板開發的時間。剛開始所使 用的雷射是以側面激發固態二極體雷射，因為初期背光板網點佈點密度大，
所以雷射點(spot size)的要求只在 50μm~100μm 之間，但隨著背光板的均度 與輝度的提升，背光板網點佈點密度越來越小，雷射點要求至 30μm~45μm
之間。為了達到此要求，需要更好的光束品質與更小的雷射加工點，所以 使用端面激發固態二極體雷射的應用。
本文使用的端面激發固態二極體雷射架構中，雷射共振腔內主要是由 固態二極體 808nm 的激發光源，經由傳統的 Nd:YVO4 的增益介質(gain medium)轉換成 1064 nm 雷射光。由於傳統 Nd:YVO4的增益介質存在著許 多熱效應的問題，例如：在晶體內由於吸收部分的激發光而產生熱量的空 間分佈，導致晶體內形成徑向的溫度梯度變化，造成晶體內、外材料熱脹 情況不同而產生熱應力，隨著入射端激發光功率增加，溫度梯度增大，熱 應力也隨著變大，當熱應力增大至增益介質的閾值時，增益介質即會發生 破裂的現象，此現象稱為熱破裂(thermal fracture)。還有在晶體內的溫度梯 度和熱應力會導致折射率的變化，使晶體的中心處折射率較高，由晶體中 心向外逐漸減小，當光通過時，晶體中心的光線光程大，通過晶體邊緣的 光線光程較小，這與光通過一個匯聚透鏡相似，此現象即為一個熱透鏡 (thermal lens)現象。因為上述之熱效應會導致雷射最大輸出平均功率與效率 的下降，且光束品質變差，所以爲了改善增益介質內部溫度梯度的分佈能 均勻的散熱，在本論文實驗中我們以單一鍵合晶體(diffusion-bonded crystal) 來改善晶體內部溫度梯度的分佈。由於單一鍵合晶體是由一塊摻雜的雷射 晶體和一塊純的非摻雜同質基底材料膠合後，在高溫條件下通過分子擴散
實現穩固結合的一種產品，我們可利用單一鍵合晶體前端非參雜的同質晶 體結構，均勻的吸取內部激發晶體的熱通過，使雷射晶體達到均勻散熱，
減少晶體的熱效應，改善晶體內部溫度梯度的分佈較為緩和，提高雷射的 性能。
因為在工作領域中所接觸的背光板廠，目前使用的端面激發固態二極 體雷射系統，還是傳統的雷射介質晶體，由於背光板模板網點的製程，以 目前每片網點的設計已經增加到 200 ~ 400 萬的加工網點，加工時間長達 3~4 小時，且全天 24 小時的加工情況下，為了達到客戶端雷射的穩定度，
減少熱效應影響所造成的不穩定現象，本論文針對傳統晶體與單一鍵合晶 體，改變其共振腔的長度，以連續波 CW(Continuous Wave) 和脈衝波 (Q-switching，mode locking)的輸出功率，比較其熱效應的改善，將可提供 公司對於端面激發固態二極體雷射優化的重要依據，也可讓客戶端有更穩 定的雷射加工器，得到更好的加工品質。
而在目前雷射發展中，改善熱效應的方法有：
1. 在 Nd doped 的雷射晶體中，傳統都是以 808nm 的二極體為激發光源，
因為 808nm 對雷射晶體有較強的吸收率，若不考慮波長的吸收效率，
提高激發光源的波長，改用 880nm 波長為激發波段，由 880nm 轉換 1064nm，可縮短能階轉換所產生的熱，晶體內吸收熱效應較 808nm 少，
可減少熱效應，但由於Nd:YVO4晶體對 880nm 吸收波段效率較 808nm 差，所以輸出轉換效率也較低。
2. 微型增益介質共振雷射( thin-disk laser):介質晶體的薄型化，厚度大約只 有 100~200μm，直接貼於銅座散熱導槽上，由於介質晶體薄，散熱速 度快，所累積的熱效應較少，但需增加激發雷射共振次數，提高介質 晶體的吸收效率。
3. 單一鍵合晶體(diffusion-bonded crystal)：直接更換原來的增益介質,不需 更改原本共振腔架構,只需微調光學共振腔與單一鍵合晶體的最佳位置，
達到最直接的改善與低成本的考量。
4. 光學補償法:修磨介質晶體的端面呈凹面，以抵消熱效應所產生的透鏡，
適合用於穩定的熱焦距情況下。
1.2 本論文組織
本文自第二章簡介：針對增益介質(gain medium)，傳統的 Nd:YVO4晶