本實驗室使用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)，是由於在實驗中必頇改變不同 的波長去獲得分子在激發態、離子態的振動光譜，而染料雷射提供一 組可調波長的雷射光源，加上倍頻器後可產生實驗中所需的紫外光雷 射，整套雷射系統可分為以下兩部分：a. Nd：YAG laser, b. dye laser，
以下會針對這兩部分做說明。
a. 固態銣釔鋁石榴石雷射(neodymium-doped yttrium aluminum garnet, Nd：YAG laser [51])
本實驗室共有兩套雷射系統，所使用的 Nd：YAG laser 型號分別 為 Spectra-Physics Lab -150 與 Spectra-Physics Lab -190，兩台雷射構 造大致相同，脈衝頻率皆為 10 Hz，但 Lab -190 的輸出功率較高。全 功率的 Lab -150 基頻(1064 nm)脈衝能量高達 689 mJ /pulse、倍頻(532 nm)脈衝能量為 393 mJ /pulse、而三倍頻(355 nm)脈衝能量達 220 mJ /pulse；而 Lab -190 的基頻光脈衝能量達 1120 mJ /pulse、倍頻脈衝能 量為 535 mJ /pulse、而三倍頻脈衝能量達 330 mJ /pulse。
Nd：YAG laser 原理是經氙(Xe)燈通電後放出的光去激發石榴石 棒上的活性介質銣離子(Nd3+) ，此時電子躍遷至 F3/2能階上，電子在 此能階有較長的生命期，其約為 230 μs，可達居量反轉(population
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inversion)，此時再經誘發放射後(stimulated emission)可產生波長 1064 nm 的紅外光雷射，Nd3+的能階圖如下圖十三所示。此外，我們還加 入電光調製器(Q-switch)，來增加雷射能量並增快雷射時序。Q-switch 內部裝置有兩個反射鏡組(high reflector, M1 & M2)，M1為全反射鏡，
M2 則是只讓部分光通過，其餘的光全部反射。當產生的光通過 Q-switch 時會被限制住，避免誘導放射，使系統能量得以累積，當居 量反轉達到最高時，在觸發 Q-switch，使通過 Q-switch 的光可以釋放 出來，再經誘導放射產生同能量、同相位與同方向性的雷射光，此脈 衝產生時間寬度小於 10 ns，強度可達數十個 MW。
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圖十三 Nd3+的能階圖
實驗設定氙燈啟動後經過約 210 μs 的延遲時間，之後啟動 Q-switch 讓雷射由共振腔中釋放出來，1064 nm 的紅外光經由倍頻器 (harmonic generator, HG) 中 的 倍 頻 晶 體 (potassium dideuterium phosphate, KD*P)作用產生二倍頻或三倍頻的雷射光。若染料放光於 540 nm 以上者，可選擇二倍頻 (532 nm) 光作激發光源；放光波長為 540 nm 以下則適用三倍頻(355 nm)光去激發。而倍頻後的雷射同時存 在基頻與倍頻的雷射光源，此時使用兩片分光鏡(dichroic mirror, DM) 進行分光，基頻光被 beam dump 吸收，倍頻光則進入腔體，而頇注 意的是不同的波長應使用相對應的分光鏡。此倍頻晶體對熱敏感，我 們使用溫度控制器(HG temperature controller)使其保持在 30-50℃，並 在雷射作用時，以氮氣噴洗(purge)晶體避免水氣附著。
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b. 染料雷射(Dye laser)
本實驗室所使用的兩組染料雷射型號為 Lambda Physik Scanmate UV，藉由激發光源(Spectra-Physics Nd：YAG laser)將染料激發至電子 激發態後放光，再將此光頻率轉為二倍頻後使用。染料雷射出光範圍 介於 380-960 nm (未倍頻前)，波段於 820 nm 以上為紅外光，此為不 可見光，在波長的校正上難度較高；而在短波長區為紫外光區，亦為 不可見光，我們根據紙卡螢光調變光路作最佳化。
在染料雷射內部可分為四個子系統，分別為染料循環器、振盪器 (oscillator)、放大器(amplifier)及二倍頻(second harmonic generation, SHG)產生器。而染料循環器的功能為將染料循環至振盪器與放大器 染料貯存槽，分別由直流馬達、循環管路、染料槽(dye cell)以及染料 貯存器(dye reservoir)所構成。放大器貯存槽的容量較大，可裝填 800 mL 染料溶液，振盪器貯存槽較小，裝填量僅 200 mL。又激發光源經 分光器可分成兩道光進入染料雷射內部，約 10%的激發光源進入振盪 器，其餘激發光源在約 3 ns 的延遲時間後激發放大器中的染料分子。
振盪器放光會先經 beam expander 並將光分佈在光柵(grating)的表面，
利用調控光柵的角度來選取不同波長的雷射光，而雷射光進入振盪器 做預放大，在進入放大器染料貯存槽使激發態的染料分子發生同步放 射。
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二倍頻系統包含倍頻晶體、補償器(beam walk-off compensator) 和分光器(beam separator)所組成。本實驗室所使用的倍頻晶體為 BBO-I 以及 BBO-III 兩種，分別適用於不同的雷射波段。BBO-I 的適 (EXCITION, INC.) [52]，更換染料時頇做波長校正，電腦將欲校正的 波長均分為五點，使用 Sacnmate 軟體來微調倍頻晶體與補償器角度，
首先進入選單，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 選項調變倍頻晶體角度，於倍頻器出口置紙卡觀察 螢光強度變化並配合能量計紀錄功率變化情形，完成五點校正。此外，
我們也利用雷射波長計(laser wavelength meter, Coherent, WaveMaster) 量測精確的雷射波長， 若之後發現雷射功率過低才可確定是儀器本 身問題還是人為因素造成。
例如實驗中需要 565-585 nm 波長範圍，而經過五點校光後 Rhodamine 590 (R-590)放光範圍為 555-580 nm，放光強度最大的地方
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約為 570 nm 附近，此時就選用 R-590 作為染料，圖十四為 R-590 染 料校光後之能量波長圖形，若染料校光後所得曲線與此不符，代表校 光過程不正確，則頇重新校光；若重新校光與之前實驗紀錄比對後發 現能量差異太大，則有可能是染料的壽命已到，需重新配置。
圖十四 染料 R-590 的輸出能量對染料波長作圖
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