1-1 二極體激發式固體雷射
雷射可依增益介質的材料分為：氣體雷射、固體雷射、半導體雷射、液體雷射。其 中半導體雷射(laser diode)是以半導體當增益介質，以順向偏壓激發，使電子由價帶 (valence band)激發到導帶(conduction band)，產生居量反轉。在共振腔的部分，利用半導 體的自然劈裂面(cleaved facet)，形成一對平行的鏡面當作共振腔，使雷射光共振放大輸
容易造成熱透鏡(thermal lens effect)效應、輸出品質下降等問題，故通常需要溫度控制系 統，如利用水冷的方式，使增益的晶體控制在固定的溫度下，避免晶體損壞或是雷射品 質不一。
傳統的固體雷射以電弧燈(arc lamp)或閃光燈(flash lamp)當作激發光源，因為電弧燈 或閃光燈管發光的頻譜範圍從紅外光到紫外光皆有，而固體雷射晶體卻只針對某些波段 吸收較強，對其餘波段非但吸收能力不佳，因此造成轉換效率低，且容易產生廢熱。例 如由圖 1-1-1Nd:GdVO4晶體之吸收頻譜可知 Nd:GdVO4晶體對 590 nm、808 nm 波段之 吸收特別強。近年來由於二極體雷射的迅速發展，二極體激發式固體雷射(Diode pump
1
solid state laser，DPSSL)也被廣泛的研究並應用於產業中，因半導體雷射具有頻寬窄的 特性，可大幅增加固體雷射的轉換效率，搭配固體雷射高品質的模態，兩者相得益彰。
圖 1-1-1 Nd:GdVO4晶體σ 偏振與 π 偏振之吸收頻譜 [6]
2
1-2 固態雷射晶體介紹
固態晶體是固體雷射常用的增益介質之一，由摻雜(doping)的離子和基質材料(Host-material)決定其特性。摻雜的離子，會決定晶體的躍遷能階，進而影響晶體的吸收與發 光波長範圍。另一方面，每一種基質材料有不同的布拉維晶格、不同的空間群，有不同 的對稱性，會導致各能階的吸收與自發輻射的比例不同，影響自發輻射的峰值位置，或 造成不同偏振特性等。
例如由圖 1-2-1 和圖 1-2-2 的比較我們可以發現，摻釹晶體與摻鐿晶體所使用的能 階即有明顯不同，對應到的吸收與自發輻射波長也會有所差異。摻釹晶體的吸收波長在 0.8 μm，而自發輻射波長大約在 0.9 μm、1.06 μm 和 1.3 μm。其中 0.9 μm 是準三能階，
而 1.06 μm 和 1.3 μm 是四能階。另一方面，摻鐿晶體的吸收波長則在 940 nm 到 976 nm 之間，而自發輻射的波長則在 1040 nm 附近，且其為準三能階。準三能階的特性是下能 階(lower level)能量只比基態能階(ground state)高幾個 KBT，掉到基態能階的載子受到些 許的熱能，便會再吸收回到下能階，影響居量反轉，使發出自發輻射的效率變差。
在基質材料的部分，我們由圖 1-2-3 和圖 1-2-4， Nd:YAP 晶體與 Nd:YVO4晶體能 帶結構圖可以看到，同為摻雜釹之晶體，在0.9 μm、1.06 μm、1.3 μm 波段雖然皆有自發 輻射，但自發輻射的波長是不一樣的，除此之外，晶體的基質材料也會影響晶體的熱膨 脹 係 數 (Thermal expansion coefficients) 、 熱 導 係 數 (Thermal conductivity) 、 折 射 率 (Refractive indices)等物理特性，這些特性多半與晶體溫度有直接關係，因此溫度的控制 往往成為固體雷射中極重要的一環。
3
圖 1-2-1 釹離子之能帶結構圖
圖 1-2-2 鐿離子之能帶結構圖
4
圖 1-2-3 Nd:YAP 晶體能帶結構圖 [7]
圖 1-2-4 Nd:YVO4晶體能帶結構圖 [8]
5
1-3 雷射晶體的低溫特性
在雷射的發展史中，低溫系統很早就被使用。例如，1964 年，世界上第一台二極體 激發式固體雷射是以摻雜鈾的螢石(U:CaF2)為增益介質 [9]，此雷射必須操作在液態氦環 境，以減少低能階居量數，降低發出雷射的臨界電流。對於某些雷射，特別是摻雜鈷 [10]、
鐵 [11]等過渡金屬為增益介質的雷射，在低溫的狀態可以減少非輻射緩解(nonradiative relaxation)速率而大幅增加亞穩態(metastable state)的生命週期(lifetime)。1986 年，Moulton 在麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)發現摻鈦氧化鋁(Ti:Al2O3)雷 射的輸出功率在 300 K 為 150 mW，而當溫度為 77 K 時，輸出功率可提高為 450 mW，
這主要歸因於熱導係數(thermal conductivity)的提高 [12]。
低溫系統在雷射上的使用，起初是由於只有在極低溫的環境下才能觀察到雷射現象。
但2000年以後，隨著材料科學的進步，許多雷射並不用操作在低溫下，就可以達到好幾 百瓦的輸出功率 [13] [14]，並且有好的光束品質。雖然如此，固態晶體在低溫的狀況下，
通常會因為熱導係數會提高、熱光係數(thermo-optic coefficient)會降低、熱膨脹係數 (thermal expansion coefficients)會降低等原因，而有較優異的表現 [15] [16]。這也導致近 年來有許多論文討論在低溫系統下，量子數虧損 [17]、超短脈衝 [18] [19] [20]、熱導係
1-4 論文章節介紹
本論文分為四個章節
第一章是簡介，介紹二極體激發式雷射、固態雷射晶體，還有固態雷射晶體在低溫 下的使用與特性，最後為論文架構。
第二章為低溫自發輻射光譜的觀察與紀錄，第一節為實驗架設與晶體特性，第二節 分別介紹八種晶體之自發輻射光譜，與其降至低溫時的變化，第三節歸納八種晶體共同 的變化。
第三章為觀察晶體低溫自發輻射光譜後的應用，以 Nd:YAG 和 Nd:YLF 晶體為例，
觀察其受激輻射的變化，探討在不同功率下，要達到雙波長雷射輸出功率相同之最佳溫 度。
第四章總結此篇論文結果與未來工作。
7