第一章 緒論
1.1 研究目的
超快雷射(ultrafast laser)具有極短之脈衝時間(脈衝寬度於皮秒、飛秒或以下)，
可提供極佳的時間與空間解析能力，且同時擁有高脈衝功率、寬頻寬輸出之特性，
應用層面廣泛，例如超快光譜分析(ultrafast spectroscopy)、光學同調斷層掃描 (optical coherence tomography, OCT)、光纖通訊(DWDM、TDM)以及金屬材料精密 加工等技術應用。產生超短脈衝雷射的條件有以下幾項：寬頻寬的增益介質、脈 雷射(He-Ne laser)之研究上。1964 年 Hargrove 等人[5]利用內部損耗調製器達成主 動鎖模(active mode locking)，至此明確提出鎖模之機制。1965 年以有機染料做為 飽和吸收體(saturable dye)的紅寶石鎖模雷射被開發出來[6]。在 1975 年，Haus 提 出可利用快速飽和吸收體(fast saturable absorber)達成被動鎖模之基礎理論[7]。1990 年後各種基於 Haus 理論之鎖模技術陸續被發展出來，例如脈衝疊加鎖模(additive pulse mode locking, APM)[8]、克爾透鏡鎖模(Kerr-lens mode locking, KLM)[9]。鎖 模技術發展至現今，已經可於不同形式的雷射系統中實現，且可以將雷射脈衝寬 度壓縮至飛秒(femtosecond)等級。於 2004 年，F. Ö. Ilday[2]等人提出了新型態的脈 衝鎖模雷射輸出稱之為同形光(similariton)，藉由同形光型態下，脈衝強度可以進 一步的提升，拓展超短脈衝雷射的應用層面。
一般雷射在滿足共振的條件下具有多縱模，雷射輸出縱模的數量由腔內增益
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曲 線 及 腔 內 損 耗 決 定 ， 若 縱 模 間 振 幅 與 相 位 沒 有 一 定 關 聯 ， 產 生 為 連 續 波 (continuous wave, CW)之輸出。利用外加條件可以使模態彼此相位一致，進而達到 相位鎖定(phase locking)，產生脈衝序列的輸出，即為鎖模技術。目前的鎖模技術 主要分為主動與被動鎖模兩種，兩者差異在於提供鎖模之元件不同，主動鎖模利 用外加調制元件使得調制頻率等於共振腔所決定之相鄰縱模頻率間隔(∆υ = / 2 )來達成鎖模，但是需要精準的控制並且受限於調制元件之頻寬限制而無法達 成超短脈衝輸出；被動鎖模則是於腔體內加入飽和吸收體(saturable absorber, SA)，
利用飽和吸收體的非線性特性來達成模態鎖定，若採用的是快速飽和吸收體如奈 米碳管與石墨烯，即便在極短脈衝的狀態下也能產生反應，達到超短脈衝輸出的 效果。
本研究的架構採用摻鉺光纖(erbium doped fiber, EDF)做為雷射增益介質，其主 要增益波段在 1550 奈米與光通訊(C band)波段相符。飽和吸收體則為石墨烯 (graphene)，石墨烯具有許多優異的特性，例如非線性吸收、可進行寬頻帶操作、
超短弛豫時間(relaxation time)等，使其成為極具潛力之飽和吸收體。其中利用側磨 光纖(side-polished fiber)之消散波(evanescent wave)與石墨烯飽和吸收體進行交互 作用，在提高泵激功率時避免造成飽和吸收體毀損，進而提升輸出功率。同時在 腔內置入色散補償光纖(dispersion compensation fiber, DCF)以改變腔內色散值，探 討不同色散值對應到不同型態的輸出雷射表現與特性比較。
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1.2 論文架構
本論文探討使用消散波式結構下，改變腔內總色散值對於被動鎖模光纖雷射 之影響。論文主要分成三部分闡述：
1. 第一部分為脈衝雷射簡述，介紹脈衝雷射原理並且探討被動鎖模的影響因素，
以及石墨吸飽和吸收體之特性與製備，將於第二章介紹。
2. 第二部分為鎖模光纖雷射，前半段探討行進波與飽和吸收體間交互作用，並說 明如何利用側磨光纖作為來與石墨烯飽和吸收體交互作用。後半段介紹脈衝雷 射輸出型態，利用非線性薛丁格方程來描述脈衝行為，說明其脈衝特性，最後 討論被動鎖模雷射中的脈衝型態與輸出，將於第三章介紹。
3. 第三部分為實驗架構與量測結果，展示共振腔外及腔內量測結果。腔外量測包 含飽和吸收體線性吸收與非線性量測；腔內量測則探討不同腔內色散值對於雷 射脈衝輸出的影響，將於第四章介紹。
最後，則為本研究之結論與未來方向。
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