激發態激發
2.5 元件金相分析製程
試片研磨拋光至0.25µm，確定六角晶纖 端面完整後，將試片再以酒精及去離子 水震盪清洗後陰乾
將玻璃包覆晶纖做熱鑲埋，碳粉高度必 須高於玻璃樣品，鑲埋壓力70~80kg/cm2 切割晶纖並以丙酮、酒精、去離子水 三階段清洗後，送南成公司做玻璃包覆 以LHPG法生長出直徑100~200µm 的Nd:YAG晶體光纖
試片鍍碳準備打EPMA
圖2-12 金相分析流程圖
準 備 外 徑 7mm 內 徑 500µm 之 Pyrex 玻 璃 毛 細 管 ， 將 長 成 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 與 包 覆 用 的 玻 璃 毛 細 管 先 利 用 超 音 波 清 洗 機 以 丙 酮(acetone)為 清 潔 溶 劑 震 盪 5 分 鐘 ， 為 將 晶 體 光 纖 及 玻 璃 表 面 的 污 垢 及 雜 質 溶 解 ， 接 著 將 舊 溶 劑 倒 出 ， 更 換 為 清 潔 之 丙 酮 溶 劑 ， 再 震 盪 5 分 鐘 ； 之 後 再 依 序 以 乙 醇 (alcohol)及 去 離 子 水(de-ionized water)為 清 潔 溶 劑 依 同 樣 程 序 震 盪 2 次 ， 每 次 5 分 鐘 ， 即 完 成 清 潔 程 序 。
將 清 潔 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 放 入 乾 淨 的 Pyrex 玻 璃 毛 細 管 內，並 使 用 炔 氧 燄(acetylene/oxygen flame)燒 融 接 合，再 置 入 500~600 ℃ 之 退 火 爐 4小 時，以 免 因 Pyrex玻 璃 與 Nd:YAG 晶 體 之 熱 膨 脹 係 數 差 異 而 導 致 之 熱 應 力 與 裂 痕 之 產 生 。 在 使 用 炔 氧 燄 燒 融 Nd:YAG 晶 體 光 纖 與 Pyrex 玻 璃 毛 細 管 時 ， 必 須 注 意 其 界 面 不 可 有 空 氣 殘 留 ， 亦 不 可 產 生 裂 痕 。
Nd:YAG 之 光 折 射 率 n1 為 1.82，Pyrex 之 光 折 射 率 n2為 1.47[28]，由(2-4)式 得 知 以 Pyrex 玻 璃 包 覆 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 其 數 值 孔 徑(NA)為 ：
NA = sinθ0= n1sinθ (2-4)
=(n12-n22)1 / 2≒1
∴θ0為 任 意 角 (2-5)
由 式(2-5)可 知 ， 以 Pyrex 玻 璃 包 覆 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 接 受 角(acceptance angle) θ0為 任 意 角 ， 有 利 於 使 用 半 導 體 雷 射 作 為 激 發 光 源 所 衍 生 之 耦 合 效 率 不 佳 的 問 題 。
將 以 Pyrex 玻 璃 包 覆 完 成 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 以 不 同 顆 粒 大 小 之 碳 化 矽 (SiC)砂 紙 ， 由 粗 而 細 依 序 進 行 研 磨 (grinding)，再 使 用 各 式 拋 光 布 搭 配 不 同 顆 粒 大 小 的 鑽 石 噴 霧 及 氧 化 鋁 ， 以 顆 粒 大 至 顆 粒 小 依 序 進 行 拋 光(polishing)。
研 磨 是 指 以 銳 利 的 研 磨 粒(abrasives)切 出 樣 品 碎 屑 的 過 程 ， 用 以 得 到 一 平 整 的 表 面 ； 拋 光 為 接 續 研 磨 後 的 過 程 ， 能
1.研 磨/拋 光 盤 之 材 質
研 磨/拋 光 盤 材 質 越 硬 ， 研 磨/拋 光 面 越 平 整 。 然 硬 度 小 的 樣 品 不 適 用 於 材 質 硬 的 研 磨/拋 光 盤，應 使 用 材 質 較 軟 的 研 磨/拋 光 盤 ， 否 則 將 造 成 樣 品 的 斷 裂 或 邊 緣 崩 塌 。
2.研 磨 粒 的 種 類 、 硬 度 、 大 小 及 用 量
研 磨 粒 指 研 磨 和 拋 光 所 使 用 的 研 磨 材 料 。 維 氏 硬 度 約 8000HV 的 鑽 石(diamond)是 最 廣 泛 使 用 的 研 磨 粒 ， 維 氏 硬 度 約 2500HV 的 金 鋼 砂(silicon carbide，SiC)為 砂 紙 所 採 用 的 研 磨 粒，維 氏 硬 度 約 2000HV 的 氧 化 鋁(aluminum oxide)拋 光 則 是 用 以 產 生 一 種 無 刮 痕 的 表 面 ； 越 硬 的 研 磨 粒 磨 耗 速 率 越 高 ， 但 對 於 硬 度 小 的 樣 品 卻 容 易 造 成 斷 裂 或 邊 緣 崩 塌 ， 研 磨 粒 的 硬 度 須 為 待 製 備 材 料 硬 度 的 2.5 到 3 倍 ， 否 則 易 產 生 製 備 假 象 。 而 研 磨 粒 越 小 ， 殘 留 的 刮 痕 、 坑 洞 也 越 小 ， 但 磨 耗 速 率 低。研 磨 粒 的 使 用 量 應 視 所 使 用 的 研 磨/拋 光 盤 盤 面 之 種 類 及 樣 品 的 硬 度 而 定 ； 當 硬 的 樣 品 配 合 低 彈 性 拋 光 布 使 用 時 ， 研 磨 粒 磨 損 較 快 ， 以 致 研 磨 粒 的 消 耗 量 會 大 於 軟 的 樣 品 配 合 高 彈 性 拋 光 布 之 使 用 方 式[29]。
3.潤 滑 液(lubricant)成 份 及 用 量
在 研 磨/拋 光 過 程 中，需 使 用 潤 滑 液 以 減 少 磨 擦 對 樣 品 與 研 磨/拋 光 盤 的 損 壞，越 軟 的 材 料 須 用 越 多 的 潤 滑 液，可 延 長 研 磨/拋 光 盤 與 拋 光 布 之 使 用 壽 命，同 時 將 產 生 的 熱 量 以 及 碎 屑 移 除 。 潤 滑 液 的 用 量 也 必 須 調 整 ， 以 達 最 佳 效 果 ， 基 本 原 則 是 使 拋 光 布 面 整 體 均 勻 地 沾 濕 。 另 外 ， 須 注 意 潤 滑 液 之 成 份 是 否 適 用 於 樣 品 ， 不 會 對 樣 品 造 成 腐 蝕 或 溶 解 ， 亦 不 會 與 樣 品 發 生 化 學 反 應 。
4.研 磨/拋 光 盤 轉 速
研 磨/拋 光 盤 轉 速 越 快，磨 耗 速 率 越 高，但 形 成 的 刮 痕 與 坑 洞 數 目 越 多 ， 且 產 生 的 熱 量 亦 較 多 。 對 於 研 磨 ， 可 使 用 高 轉 速 以 便 將 材 料 快 速 移 除 ； 對 於 拋 光 ， 則 使 用 低 轉 速 以 避 免 研 磨 粒 拋 出 盤 面 。
5.施 在 樣 品 上 的 力 量
視 樣 品 的 面 積 而 定 。 施 在 樣 品 上 的 力 量 將 影 響 刮 痕 與 坑 洞 的 大 小 與 深 度 ， 力 量 越 大 雖 然 磨 耗 速 率 越 高 ， 但 刮 痕 與 坑 洞 越 大 、 越 深 ， 且 過 大 的 施 力 易 造 成 摩 擦 及 溫 度 增 加 而 使 拋 光 布 損 壞 。
6.時 間
視 樣 品 的 面 積 與 所 使 用 的 研 磨 粒 種 類 及 顆 粒 大 小 而 定 。 製 備 時 間 應 儘 可 能 縮 短 ， 以 免 造 成 浮 雕(relief)或 邊 緣 圓 化(edge rounding)等 假 象 。
適 當 地 控 制 以 上 變 因，以 期 製 作 出 完 美 的 研 磨/拋 光 面 。 完 美 的 研 磨/拋 光 面 則 須 滿 足 以 下 條 件 ：
1.無 變 形(deformation)。 2.無 刮 痕 或 坑 洞 存 在 。 3.無 雜 質 介 入 。
4.不 同 材 質 間 的 界 面 清 晰 。
5.研 磨/拋 光 面 平 整 ， 無 浮 雕 或 邊 緣 圓 化 的 情 形 。
浮 雕 為 製 備 複 合 材 料 時 ， 個 別 材 料 之 硬 度 及 磨 耗 率 不
之 。 邊 緣 圓 化 則 是 由 於 使 用 高 彈 性 之 拋 光 布 ， 致 使 材 料 從 側 邊 周 圍 移 除 ， 除 了 適 當 地 選 擇 拋 光 材 料 ， 可 縮 短 製 備 時 間 ， 減 少 施 力 以 及 改 用 低 彈 性 之 拋 光 布 以 避 免 之 。
6.沒 有 因 研 磨/拋 光 產 生 之 熱 而 導 致 之 破 壞 。
本 論 文 使 用 Struers 公 司 所 生 產 的 RotoPol-22 數 位 式 研 磨 拋 光 機 ， 配 合 RotoForce-1 數 位 式 自 動 研 磨 頭 進 行 研 磨 拋 光 ， 所 使 用 之 砂 紙 為 Leco 公 司 所 出 產 ， 其 砂 紙 號 數 與 顆 粒 大 小 的 對 照 表 如 表 2-5 所 示 。
表 2-5 砂 紙 號 數 與 顆 粒 大 小 對 照 表
砂 紙 號 數 120 400 600 800 1200
顆 粒 大 小(µm) 106 25.8 15.3 10 3
表 2-6 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 研 磨 流 程
樣品 Pyrex玻璃包覆
Nd:YAG晶體光纖
潤滑液種類 水
研磨盤轉速 300RPM
磨頭施力大小 5Nt
研磨流程
砂紙種類 研磨時間(分鐘) SiC paper #400 1
SiC paper #600 1 SiC paper #800 1 SiC paper #1200 3
表 2-6 為 本 論 文 製 備 元 件 的 研 磨 流 程 ， 在 每 一 道 程 序 的 研 磨 過 程 中 ， 需 隨 時 觀 察 樣 品 是 否 有 坑 洞 或 雜 質 進 入 ， 若 有 ， 則 要 繼 續 研 磨 以 去 除 之 。 上 述 研 磨 時 間 只 是 一 般 的 參 考 ， 真 正 的 完 成 研 磨 是 在 每 一 道 程 序 去 除 上 一 道 程 序 所 造 成 的 刮 痕 。 研 磨 完 成 後 便 是 拋 光 的 工 作 ， 表 2-7 為 本 論 文 製 備 元 件 的 拋 光 流 程 。
表 2-7 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 拋 光 流 程
樣品 Pyrex 玻璃包覆Nd:YAG晶體光纖
潤滑液種類 Struers 紅 色 拋光潤滑液
研磨盤轉速 150RPM
磨頭施力大小 5Nt
拋光流程 研磨粒大小
與拋光布種類
拋光液滴速 (滴/分)
拋光時間 (分鐘)
6µm單晶鑽石噴霧 MD-Pan 6 6
3µm單晶鑽石噴霧 MD-Pan 6 6
1µm 單晶鑽石噴霧 MD-Dur 6 8
1/4µm 多晶鑽石噴霧 MD-Nap 6 10
0.1µm氧化鋁膏 SP-PoliCel2 20
由 於 YAG 的 硬 度(莫 氏 硬 度 8.5)很 高 ， 應 使 用 鑽 石 研 磨 粒 拋 光 ， 只 有 鑽 石 能 快 速 地 將 材 料 移 除 ， 然 作 為 雷 射 晶 體 其 表 面 平 整 度 要 求 甚 高 ， 為 了 去 除 這 些 細 小 的 刮 痕 ， 最 後 再 以 氧 化 鋁 膏 0.1µm 拋 光 ， 圖 2-13 為 0.1µm 氧 化 鋁 膏 拋 光 後 的 拋 光 面 放 大 圖 。 由 本 圖 可 發 現 Nd:YAG 晶 體 光 纖 的 橫 截 面 呈 六 邊 形 。
125µm
圖2-13 Nd:YAG晶體光纖端面經 0.1µm 氧化鋁拋光後圖形