第三章 儀器部分
3.2 雷射系統
實驗中必須改變不同的波長來獲得分子在激發態、離子態的振動 光譜，因此本實驗室使用兩組固態銣釔鋁石榴石雷射(Nd：YAG laser) 作為染料雷射(dye laser)的激發雷射(pump laser)，染料雷射提供一可 調波長的可見光雷射光源，再經倍頻器產生實驗所需的連續紫外光雷 射光源，整套雷射系統分為以下兩個部份。
3.2.1 固態銣釔鋁石榴雷射(neodymium-doped yttrium aluminum garnet, Nd : YAG laser)[52]
實驗室使用兩組 Nd：YAG 雷射，產品型號分別為 Spectra-Physics LAB-150 與 Spectra-Physics LAB-190 Nd：YAG laser，兩者構造大致 相同，圖十七為 LAB-150 的結構圖，脈衝頻率皆為 10 Hz，但 LAB-190 的輸出功率較高，全功率的 LAB-150 及 LAB-190 在基頻(1064 nm)、
倍頻(532 nm)和三倍頻(355 nm)時的脈衝能量分別為 689 mJ/pulse 及 1120 mJ/pulse、393 mJ/pulse 及 535 mJ/pulse、220 mJ/pulse 及 330 mJ/pulse。 (stimulated emission)產生波長為 1064 nm 的紅外光雷射。因氙燈每通 電一次就產生一次脈衝，而此脈衝的延遲時間太長，會使雷射能量降 低，因此須加入一電光調制器(Q-switch)裝置，來增加雷射能量並增 快雷射時序。
Q-switch 內部有兩個反射鏡組( high reflector，M1 ＆ M2)，M1
是全反射鏡，M2則是只讓少部分的光通過，其餘反射，當產生的光 通過 Q-switch 時會被限制住，避免誘導放射，在共振腔震盪經建設 性干涉累積強度，當居量反轉至極限時，施加一高電壓於 Q-swtich，
使得通過 Q-switch 的光可以釋放出來，再經誘導放射產生高能量、
同相位、同方向性的光，經由 M2輸出，即為雷射光，此瞬間放出的 雷射光脈衝寬度可小於 10 ns，強度可達數十個 MW。
圖十七 Spectra-Physics LAB-150 的結構圖
圖十八 Nd3+的能階圖
Q-switch 包含偏光器(polarizer)、波可室(pockels cell)及四分之一 波片(quarte-wave plate)，如圖十九所示，Nd:YAG 雷射產生的紅外光 源屬非極化光(unpolarized，磁場或電場沒有固定的振動方向)，透過 偏光器使雷射極化，只讓平行共振腔的雷射光通過。波可室內部有數 個不具對稱中心的晶體，受電場作用產生感應雙折射，稱為電光效應 (electric-optic effect)，此時晶體存在兩互相垂直的軸，沿軸向有不同 的折射率，分別為快軸(電場沿此方向振動者光速較快)與慢軸(電場沿 此方向振動者光速較慢)，故當一線性極化光(電場極化方向固定)進入
此晶體後會分成兩道光，穿過晶體後會產生一個相位差，當晶體和波 Q-Switch 讓雷射由共振腔中釋放出來，基頻紅外光(1064 nm)經倍頻 器 (harmonic generator, HG) 中 的 倍 頻 晶 體 (potassium dideuterium phosphate, KD*P)倍頻後，產生二倍頻(532 nm)或三倍頻(355 nm)的雷 射光，倍頻器如圖二十一所示。染料放光波長範圍以 540 nm 為分界，
大於 540 nm 者，可選擇二倍頻作激發光源，小於 540 nm 者則適用三 倍頻去激發，而倍頻後的雷射同時存在著基頻與倍頻的雷射光源，因 此必需使用二片分光鏡(dichroic mirror, DM)分光，以 beam dump 來吸 收基頻光，應注意不同的波長應使用其對應的分光鏡組。由於倍頻晶
體對熱敏感，因此，我們利用溫度控制器(HG temperature controller) 持續對晶體作用，讓其保持在 30 ~ 50 ℃，此外，晶體亦具有吸溼性，
故利用氮氣噴洗(purge)晶體以避免水氣附著。
若雷射輸出功率隨時間減弱，可將雷射系統調至 single shot 模式，
將基頻光打在感光片上觀察紙片圖樣(burn pattern)，理想的 burn pattern 近似一同心圓；若呈現橢圓狀，則需微調共振腔的長度，待 burn pattern 恢復正常後再調整倍頻器上的 crystal translation arm 調整 倍頻晶體角度至輸出功率達到最大值。若經檢查過後 burn pattern 沒 有問題，則可能是氙燈管老化需要更換，一般情況下氙燈管約每半年 需更換一次。
圖十九 Q-switch 示意圖
圖二十 冷卻水系統
圖二十一 倍頻器
3.2.2 染料雷射 及二倍頻系統(second harmonic generation, SHG)四個部分構成。染料 循環系統由直流馬達、循環管路、染料槽(dye cell) 和染料貯存器(dye (beam walk-off compensator)和分光器(beam separator)三個部份。本實 驗使用 BBO-III(BBO-I 適用於 440-590 nm，BBO-III 適用於 540-845
nm)晶體，當雷射進入倍頻系統時，倍頻晶體會對應不同的角度而對 入射波長進行倍頻，過程造成的光程差異可藉由補償器加以修正，混 合的基頻光與倍頻雷射利用由四面鏡片所組成的分光器分離，只留下 倍頻後的紫外光，以反射鏡組引入真空腔體內進行實驗。
圖二十二 Lambda Physik Scanmate UV 染料雷射內部光路圖
染料雷射輸出功率受激發光源強度、染料放光效率、染料溶液濃 度及溶劑性質影響，本實驗以甲醇為溶劑，染料配方參照染料手冊 (EXCITON, INC.)[54]，每更換一種染料就需要重新校正晶體，電腦 將欲校正的波長範圍均分為五點，使用 Scanmate 軟體來操控染料雷 射的倍頻晶體角度及補償器角度；進入選單後，輸入欲校正的波長範 圍，並選擇初始化晶體角度，之後選擇 Calibrate 開始校正，於倍頻 器出口放置紙卡觀察螢光強度，當雷射光的品質最佳時我們便定義晶 體在此角度，並配合能量計(power meter)紀錄功率變化的情形，完成 五點校正。當我們要執行掃瞄工作時，電腦將會自行調整晶體角度調 變此範圍內的波長，如此便可確保在此波長範圍內雷射品質，波長校 正對於雷射光的品質影響非常大，因此在進行波長校正時必須非常小 心仔細。另外，我們利用雷射波長計(laser wavelength meter, Coherent, WaveMaster)量測精確的雷射波長。
校光完成後，必須使用能量測量計(power meter)來測量不同波長 的能量大小，因染料的輸出能量必有一區域是較強的，而兩端則較弱，
若不是這樣的曲線，代表校光的過程可能不正確，應該要重新校光。