晶體光纖之包覆

在Cr⁴⁺:YAG晶體光纖研究中所使用的包覆有三種，分別為玻璃包 覆、銅鋁合金(Al-Cu alloy)包覆、錫鉛合金(Sn-Pb alloy)包覆，以下將 依序來介紹之。

3.2.1 玻璃包覆

玻璃包覆主要目的是希望在晶體光纖外部加入一折射率較小的 材料，如摻硼(borosilicate)玻璃(n=1.474)、99.9 %二氧化矽 (fused silica) 玻璃 (n=1.459)等，使晶體光纖有波導效果，來減小增益介質中的傳 輸損耗(propagation loss)。玻璃包覆方法為將Cr⁴⁺:YAG晶體光纖塞在 一內徑稍微大一點的中空毛細管(capillary)中，以LHPG生長系統架 構，向下生長方式來加熱毛細管，使之貼覆於晶體光纖壁上，其示意 圖如圖3-4所示。本論文100 µm之晶體光纖其外部就是以內徑為120 µm、外徑為250 µm之borosilicate毛細管玻璃包覆，而內徑為75 µm、

外徑為325 µm之fused silica毛細管玻璃用以包覆68 µm之晶體光纖。

Pyrex glass tube Cr⁴⁺:YAG fiber

[111] direction CO2 laser beam

Endview

(a) (b)

Cr⁴⁺:YAG Pyrex

由表3-1 borosilicate與fused silica材料之物理特性，可以知道 borosilcate主要成份為SiO₂，但其所摻雜的雜質則有將近20%之多，而 fused silica則為較純的SiO₂玻璃，其雜質僅0.1%左右。由於borosilicate 摻雜較多，其軟化點相較於fused silica來說低的很多，所以在包覆工 作上所使用的CO₂雷射功率也較低。

表3-1 Borosilicate與fused silica之物理特性

Borosilicate Fused silica 單位

如圖3-5所示為borosilicate包覆之Cr⁴⁺:YAG晶體光纖側視圖，直徑 為200 µm的晶體光纖，其外部以內徑為250 µm、外徑為425 µm之 borosilicate毛細管玻璃來包覆，由於軟化點溫度只有821^oC，所以在包 覆時所使用的功率僅需0.8~0.9 W。

圖3-5 Borosilicate包覆之Cr⁴⁺:YAG晶體光纖側視圖

Fused silica的軟化點相當高，為1585^oC，其與Cr⁴⁺:YAG熔點 1970^oC相近，由於所使用fused silica毛細管的管壁相當厚，造成軟化 所需要的雷射功率增加，目前所使用的功率約為1.45 W，因此造成 Cr⁴⁺:YAG晶體光纖與fused silica材料徑向方向互熔的情形發生，然而 在生長這樣的互熔材料時，我們發現了一特別的現象，就是當以3.75 mm/min較快的生長速度來包覆Cr⁴⁺:YAG晶體光纖時，產生了雙纖衣 之Cr⁴⁺:YAG晶體光纖，如圖3-6所示。由於fused silica材料向內擴散的 時間有限，導致晶體光纖中心部份仍保留一近六邊形面積未與fused silica互熔，使得晶體光纖外部出現兩層纖衣，內層纖衣為YAG與fused silica互熔材料、外層纖衣為 fused silica材料，這種包覆方式將使得晶 體光纖直徑縮小，再加上產生互熔介面，將有利於傳輸損耗的減小。

Cr⁴⁺:YAG Borosilicate

擴散程度要一致，如此形成的直徑均勻晶體光纖，其傳輸損耗才會很 小。故目前我們分別以borosilicate與fused silica毛細管玻璃來當做晶 體光纖之纖衣。

圖3-6 Fused silica包覆之Cr⁴⁺:YAG晶體光纖側視圖

Cr⁴⁺:YAG Cr⁴⁺:YAG +Fused Silica Fused Silica

3.2.2 銅鋁合金包覆

銅鋁合金包覆的主要目的是希望能藉由Cu、Al金屬材料優良的 導熱特性，將Cr⁴⁺:YAG晶體光纖因非自發輻射所產生大量的熱快速帶 走。除了銀、金等昂貴材料之外，熱導率較好的為銅材料與鋁合金，

如圖3-7所示，可以知道若以銅鋁等材料來包覆玻璃包覆的晶體光 纖，將可獲得優良之散熱效果。銅的熔點為1084.5^oC、鋁熔點為 660.4^oC，皆屬於相當高的溫度，如要單純以一般加熱爐來達到鋁熔 化或銅熔化進而達到包覆的目的，目前在實驗室中操作是較難達到 的。因此我們使用本實驗室研發的銅鋁合金包覆方法來包覆玻璃包覆 的晶體光纖。

圖3-7 材料熱導率與溫度的關係圖[40]

圖3-8 銅鋁合金之相圖[41]

圖3-8為銅鋁合金之相圖，我們可以看到當銅鋁以一定比例混 合，加熱在溫度介於660.4^oC~1084.5^oC之間，將可形成銅鋁合金。其 步驟由圖3-9之銅鋁合金包覆流程示意圖所示，將玻璃包覆的晶體光 纖置於兩摺疊好之鋁箔中，鋁箔厚度略大於玻璃外徑，再將其放置於 兩片厚度約為8 mm銅塊之間，以不鏽鋼片夾住，將此樣品置於管狀 爐中，以機械幫浦抽真空至約10^-3 torr後，升溫至750^oC，持溫60分鐘 之後，降溫至560^oC退火約4小時，自然降溫至室溫便可獲得銅鋁合金 之形成。然而這樣的方法僅適用於borosilicate玻璃包覆的晶體光纖，

因為fused silica玻璃包覆的晶體光纖加熱在750^oC，持溫60分鐘時，會 有大量的銅鋁滲入fused silica中，因此在製程上則使用較低的溫度，

目前我們將fused silica包覆之晶體光纖夾於鋁箔中，升溫至670^oC持溫 10分鐘後，自然降低溫度至 345^oC，持溫1小時做Al合金的退火。退 火處理過後，會有部分的鋁滲入至fused silica玻璃的表層，這將使得 玻璃與金屬介面相當緊密，將大大的改善晶體光纖的散熱效果。然而

目前還尚未對fused silica玻璃做熱退火處理，經鋁合金包覆過後，在 研磨與拋光階段將容易導致fused silica玻璃端面上裂痕的產生。

在此銅鋁合金形成機制主要是因為溫度超過660^oC時鋁溶化成液 體，其與相鄰的銅介面相互擴散而成。銅鋁合金包覆時所持溫的溫度 較高的時候，擴散速度快，其合金中銅成份會比較高，此時的包覆情 況較佳；持溫溫度較低時，擴散速度較慢，使得銅鋁合金中鋁成份較 高，包覆介面較容易脆裂。而目前銅鋁合金包覆的缺點為難以控制不 鏽鋼片的施力，坦若施力太小將造成包覆介面上的缺陷，施力太大又 會造成晶體斷裂等情況產生，這是要在製備元件時所要注意的。

圖3-9 銅鋁合晶包覆流程示意圖

玻璃包覆 晶體光纖 紅銅

鋁箔

銅鋁合金 形成 1.抽真空10^-3 torr

2.持溫於750^oC、60min 3.於560^oC退火4小時 4.自然降溫至室溫

3.2.3 錫鉛合金包覆

錫 鉛 合 金 包 覆 是 一 較 低 溫 的 金 屬 包 覆 方 法 ， 錫 的 熔 點 為 231.9^oC、鉛的熔點為327.4^oC，其錫鉛合金形成的相圖如圖3-10所示，

我們可以知道錫鉛合金形成的溫度範圍在231^oC~327^oC之間，這溫度 我們可使用一般的加熱爐即可達到，於實驗室中相當容易製備。其製 備方式如後所述，在16 mm見方的銅條側面上銑一個直徑為7 mm，深 度為12 mm的溝槽，靠近兩旁則預留1~1.5 mm邊，於銅條兩端面上正 中心處鑽一直徑為3 mm的孔洞，將晶體光纖橫架於此二孔洞上，於 銅塊外圍以鋁箔紙將孔洞擋住，防止錫鉛合金流出，再以加熱爐將錫 鉛合金加熱溫度在400^oC，熔融態的錫鉛合金倒入溝槽內使之填滿，

之後再緩降溫度至室溫，包覆後的結果如圖3-11錫鉛合金包覆示意圖 所示。

圖3-10 錫鉛合金之相圖[41]

雖然錫鉛合金包覆的導熱性沒有銅鋁合金包覆好，其樣品的介面 卻較為緻密，不會有缺陷產生。故若單純只是要量測晶體光纖之材料 特性、光學特性，使用錫鉛合金包覆將較為恰當。而如果是要用來當 作雷射增益介質的晶體光纖則必須以熔點溫度高於300^oC以上的材料 來包覆，以避免鍍膜於晶體光纖端面時，溫度高達300^oC而造成包覆 的破壞。

圖3-11 錫鉛合金包覆示意圖

3.2.4 高溫銅鋁合金包覆造成Cr⁴⁺:YAG晶體螢光消失

實驗曾經發現一很重要的問題，也就是當我們將晶體光纖直接包 覆在銅鋁合金中，在1015^oC附近持溫約60分鐘，將導致銅擴散進入晶 體光纖中，造成晶體光纖中的螢光消失。根據1997年 S. A. Markgraf 團隊的研究[13]，摻雜Co、Cu、Fe、Mn、Zn等過度性金屬材料進入 Cr:YAG晶體中當作電荷補償離子，其無法成功的原因歸因於Cr³⁺處在 八面體中擁有較大的晶格場穩定能量(large crystal field stabilization energy)，其可能迫使摻雜的過度性金屬進入高氧化狀態。Cr:YAG晶 體中的Cr離子帶3+價電數，將無法觀察到1.3~1.6 µm螢光，此時晶體 顏色為淡綠色，這在我們包覆的晶體也可觀察到，如表3-2 Cr⁴⁺:YAG 晶體包覆樣品螢光量測所示，直接以銅鋁合金包覆，且持溫溫度 於 1015^oC、995^oC的樣品都無法量測到螢光，為了要能驗證確實是銅 離子擴散進入晶體中造成螢光的消失，我們針對這樣的樣品做成份分 析。

藉由電子微探儀(electron probe micro analyzer，簡稱EPMA)針對 一直徑為200 µm，於995^oC持溫60分鐘之Cr⁴⁺:YAG晶體，做成份分 析，如圖3-12所示，確實於晶體內部看到相當高成份的CuO摻雜，晶 體邊緣之CuO成份甚至比CaO成份高出25倍。圖3-13與圖3-14為以反 射式螢光量測系統來量測樣品之螢光，分別為錫鉛合金包覆與高溫銅 鋁 合 金 包 覆 之 樣 品 ， 發 現 高 溫 銅 鋁 合 金 包 覆 之 樣 品 並 沒 有 螢 光 (fluorescence)產生，而以錫鉛合金包覆之樣品螢光仍舊存在。在此獲 得一相當寶貴的經驗，也就是在對Cr⁴⁺:YAG晶體做高溫熱處理後，必 須對這樣的晶體做螢光量測來確保晶體品質是否改變。

表3-2 Cr⁴⁺:YAG晶體包覆樣品螢光量測

1015^oC, 60mins

Norm. wt%

Cr₂O₃ CaO

CuO

Cr⁴⁺:YAG crystal fiber packaged by Al-Cu alloy CuO

CaO Cr₂O₃

Percent diameter (%)

Norm. wt.%

0 200 400 600 800 1000 1200

0 200 400 600 800 1000 1200

0.00

Fluorescence (a.u.)

Position (micron)

圖3-14 Cr⁴⁺:YAG晶體經高溫銅鋁合金包覆之螢光量測