第三章 鎖模光纖雷射
3.2 脈衝雷射型態
3.2.4 脈衝塑形
鎖模雷射指的是利用共振腔內多縱模態的相位鎖定(phase locking)來產生短脈 衝。模態鎖定技術可分為主動與被動鎖模兩種，而被動鎖模是僅利用雷射共振腔 內的非線性料，飽和吸收體(saturable absorber, SA)而非透過外部主動元件來達成模 態鎖定，藉由飽和吸收體可以輕易的達成被動鎖模。而被動鎖模技術能得之最短 寬度將遠小於主動鎖模產生之最短脈衝寬度。飽和吸收體具有非線性吸收特性，
當高強度的光入射至飽和吸收體時，飽和吸收體吸收率降低，如圖 3.10 所示，當 脈衝與雜訊同時入射至飽和吸收體，高峰值能量的脈衝在重複地經過飽和吸收體 過後將會被壓縮，雜訊受到較大的吸收將會減弱。將飽和吸收體置於雷射腔體內 後，加入色散補償光纖(dispersion compensate fiber, DCF)對雷射腔體色散分布進行 控制，光孤子、色散控制光孤子與同形光型態的脈衝可以在所模雷射中實現。
34
圖 3.10 飽和吸收體的穿透率對應入射強度及其對脈衝產生之影響
光孤子形態(soliton)於腔內之傳遞如圖 3.11，雷射腔體內部之光纖、增益光纖 以及飽和吸收體，若在某一波長下皆具有負色散(anomalous dispersion)，由非線性 薛丁格方程可以得知，光孤子為其自然解，光孤子在雷射腔體內傳遞時將維持其 波形；當光孤子經過增益光纖被放大後，因為過度的能量以及可能的失真，脈衝 並非確切的光孤子型態，然而過度的能量將在雷射輸出時被耦合出雷射腔體外，
飽和吸收體也會補償增益光纖造成的微小失真。
圖 3.11 光孤子形態於腔內之傳遞
飽和吸收體的行為對於開始產生脈衝雷射是非常重要的，但是在雷射已經產 生光孤子後，飽和吸收體的效應變成一個輕微的擾動。脈衝雷射經過輸出後，剩 餘的脈衝會回到光纖雷射腔體內，再次演變成確實的光孤子，因此，除了由增益 與飽和吸收體造成的擾動與失真，光孤子雷射產生的脈衝將具有能量與脈衝寬度 的一致性，其穩定性對於雷射產生飛秒脈衝是有益的。但是根據光孤子面積定理，
3.5 式，在脈衝寬度與色散固定的情況下，脈衝能量也已成定值，因此典型的光孤 子光纖雷射輸出之脈衝能量約在 0.1 nJ 附近。
35
另 一 重 要 的 脈 衝 型 態 為 色 散 控 制 光 孤 子 (dispersion-managed soliton, DM soliton)，當光纖雷射腔體內有一合適的飽和吸收體，以及正負交錯的色散分布，
總色散值趨近 0±的狀況下，將產生色散控制光孤子。色散控制光孤子形態於腔內 之傳遞以及脈衝形狀之演變如圖 3.12。根據對色散控制光孤子傳播行為的觀察，
腔體內的脈衝演變在各色散值分段之中點具有最小的脈衝寬度。脈衝在經過雷射 增益與輸出會產生失真，一樣由飽和吸收體做補償，此對色散控制光孤子脈衝的 演變並沒有太顯著之影響；飽和吸收體對於脈衝雷射的產生是很重要的，但是一 樣在色散控制光孤子脈衝產生後對於腔體來說為一個輕微的擾動。在 1993 年，
Tamura 等人為提出色散控制光孤子雷射的第一人[44]，Tamura 與其團隊提到此型 態之脈衝雷射為伸縮脈衝(stretched-pulse)，強調其脈衝伸縮(啾頻)的演變。根據分 析色散控制光孤子於雷射被動傳遞的行為，伸縮脈衝雷射產生的脈衝能量粗估可 以高於光孤子光纖雷射一個量級。
圖 3.12 色散控制光孤子形態於腔內之傳遞
當腔內總群速色散為正值(GVD>>0)，光孤子與色散控制光孤子將無法存在於 此條件下的雷射腔體。然而光纖雷射在許多模態下及獨特的脈衝演變，其依舊能 夠產生鎖模，其中一種即為同形光。同形光脈衝雷射首先由 Ilday 等人於 2004 年 提出[45]。同形光脈衝雷射的脈衝演變如圖 3.13。同形光雷射中的脈衝演變與光孤 子型態的雷射有相當大的差別，一旦同形光在正色散光纖中產生，脈衝自相似地
36
傳播，脈衝寬度與線性啾頻將單調地(monotonically)增加，在增益光纖內與其線性 啾頻，同形光脈衝將會被放大達到更高一階的能量。由於脈衝具有高啾頻之特性，
飽和吸收體不只將時域下的脈衝寬度縮短，同時也減少了頻域的頻寬。在通過飽 和吸收體後，負色散光纖(delay line)縮短脈衝寬度使其回歸至原始輸入脈衝波形。
與光孤子、色散控制型光孤子不同，飽和吸收體在產生同形光脈衝後在穩定脈衝 演變中依舊扮演重要的角色。根據分析脈衝被動傳播，同形光脈衝雷射能具有相 當高的脈衝能量輸出。根據本章節理論建構的鎖模光纖雷射系統輸出雷射表現將 在第四章實驗結果中進行分析與討論。
圖 3.13 同形光形態於腔內之傳遞
37 儀(UV-Visible-NIR spectrophotometer)，機器型號為 U-4100 如圖 4.1。而我們將線 性吸收度定義為：
log( t) log( )
i
A I T
= − I = − (4.1)
其中為 A 線性吸收度(absorption)、Ii為入射光強度(incident intensity)、It為穿透光 強度(transmitted intensity)、T 為穿透度(transmission)。
在量測上，先將石墨烯溶液滴於玻璃片上，再利用另一片玻璃片壓平，以確