雷射加熱提拉生長法

本 研 究 採 用 之 另 一 種 長 晶 法 為 雷 射 加 熱 提 拉 生 長 法(Laser-Heated Pedestal Growth method，LHPG )，屬於熔區法的一種，LHPG 最早由 Burrus 和 Stone 所開發，用來生長紅寶石( ruby )晶體。後來陸續被應用在其他晶 體的生長，例如:內科視鏡系統所用的藍寶石( sapphire )晶體光纖、二次諧 波產生(second-harmonic generation，SHG )用的倍頻晶體。LHPG 生長法，

如圖 3-7 所示，以 100 W 的連續式 CO2雷射為加熱源，CO2雷射光源經衰 減器將功率衰減後，藉由兩個凸透鏡將雷射光束擴束，使原來直徑為 5 mm 之雷射光束擴增為 3 cm，然後再進入生長腔中，當 3 cm 的 CO2雷射進入生 長腔中後，會經過一組內外圓錐的反射鏡，此時圓形光束會轉變成環形光 束，然後再經一傾角 45°之平面反射鏡將雷射反射進入頂端之拋物面反射 鏡，最後由拋物面反射鏡將 CO2 雷射光聚焦於原始晶棒之頂端，使原始晶

融之半球，由電腦介面的控制使得子晶緩慢地下移與熔區接觸，然後調整 熔區的形狀，使上下兩個固定介面呈水平，再緩慢地將子晶往上拉，藉由 功率衰減器微調 CO2雷射的功率，以調整熔區的大小，使得熔區的高度與 原始晶棒直徑相近，此時一面將子晶往上拉，一面將原始晶棒往上推送，

便可成長出晶體光纖。而圖3-8則為生長晶纖時的熔區狀。為了更降低拉製 晶纖纖心直徑因 CO2雷射功率的波動所產生不規則現象，所以加入藍寶石 管(sapphire tube)來輔助製程，如圖3-9。做法是在熔融石英毛細管之熔區外 圍加入一長度 1.5 mm、外徑 1.2 mm、內徑 0.48 mm 之藍寶石晶體管，讓 CO₂雷射加熱在藍寶石晶體上，其加熱範圍約為0.44 mm，使其吸收熱量之 後再熱輻射出來，而玻璃毛細管和藍寶石晶體管之間的間隙為 0.08 mm。

圖3-7 LHPG 生長腔體示意圖及熔區示意圖[60]

圖3-8 晶體生長時之熔區形狀[60]

圖3-9 Sapphire tube 熱輻射加熱生長示意圖[61]

Fused silica capillary Sapphire tube

1.5 mm

1.2 mm Cr⁴⁺:YAG crystal fiber

CO₂ laser beam

0.48 mm

圖3-10 LHPG 長晶法系統架構[61]

影響晶纖品質與直徑變化的因素，除了雷射功率變化之外，控制子晶 和原始晶棒的步進馬達其穩定度與精確度也很重要。我們的系統選擇利用 脈衝訊號控制馬達的速度，同時採用垂直生長的方式，以避免因重力造成 的熔區變形和晶纖彎曲的問題。而晶纖的校準，則是使用一部顯微鏡和兩 部 準 直 儀 控 制 晶 纖 的 方 向 與 位 置 ， 同 時 使 用 兩 部 電 荷 耦 合 偵 檢 器 ( Charge-Coupled Device, CCD )以互相垂直的方向，即時觀察晶纖的外形、

熔區形狀、大小和固液界面的變化。而二氧化碳雷射、雷射功率衰減器和

ρ

×(πr

)×v

= ρ

×(πr

)×v

圖 3-11便是光學顯微鏡(Optical Microscopy ; OM )，光學顯微鏡又稱複 合式顯微鏡。因為它是由兩片以上的透鏡所組成。光學顯微鏡的儀器裝置 簡便，其成像原理是利用可見光照射在試片表面造成局部散射或反射來形 成不同的對比，然而因為可見光的波長高達 4000-7000 埃，在解析度的考量