Cr4+:YAG晶體光纖的吸收頻寬為0.9~1.1 µm，其吸收峰值波長為 1020 nm附近，然而由於Cr4+:YAG晶體光纖纖心的直徑相當小，最小 可到11 µm左右，為了能夠有效率的將激發光束聚到如此小的尺寸，
本論文使用IPG公司所生產的Yb光纖雷射(ytterbium fiber laser)作為激 發光源。由於Yb光纖雷射從10 µm纖心之光纖中輸出，輸出模態為相 當好的TEM00模，其M2值為1.1，而輸出端經透鏡準直後形成光束尺 寸為5±0.5 mm之平行光，這樣的光束僅需使用一般的聚焦透鏡，便能 輕易將光束聚至小於10 µm，相當適合當作Cr4+:YAG晶體光纖的激發 光源。圖5-4即為Yb光纖雷射經透鏡聚焦後的光腰與焦距關係圖，藉 由焦距為5 cm的聚焦透鏡，我們可以輕易的將光腰直徑為5 mm的Yb 光纖雷射聚小成5.4 µm。
0 50 100 150 200 250 300
0 5 10 15 20 25 30 35
λ=1064nm
Focal length (mm)
Spot diameter (µm)
圖5-4 光腰直徑與焦距關係圖，入射光尺寸為5 mm
圖5-5為Cr4+:YAG晶體光纖雷射之系統架構圖，以LHPG法生長出 於輸出端置一無色差聚焦透鏡(achromatic lens)將輸出光收集，以1200 nm高通濾波片將1064 nm的激發光源濾除，最後使用Model 818-IR功 率計量測雷射輸出功率。
M2
M1
IPG Yb fiber laser
λ= 1064nm
Focus lens
Glass clad & metal packaged Cr4+:YAG crystal fiber
1200 nm long-pass filter TE cooler
Power meter
Achromatic lens
表5-2 Cr4+:YAG晶體光纖之生長參數表
包覆材料 Borosilicate Fused silica
表5-4 鍍膜製程參數與量測結果
(a)輸入端面
(b)輸出端面
圖5-6 Fused silica包覆之晶體光纖鍍膜後端面圖，(a)輸入端面，(b)輸 編號 S1、S2、S3、S4
鍍膜 設計值 量測值
輸入端 耦合
1064 nm AR coating 1.3-1.6 µm HR coating,
R>99.5%, Rmax>99.8%
1064 nm AR coating 1.33-1.52 µm, R>99%
輸出端 耦合
1.3-1.6 µm HR coating, Rmax>99.5%
1.30-1.53 µm, R>99%
Rmax=99.2 % @1436 nm
圖5-7為熱電致冷器(thermo-electric cooler,簡稱TE cooler)，其長、
寬、高為30 mm x30 mm x 4 mm，相當輕薄，其工作基本原理如圖5-8 所示，將p型與n型半導體串接，外加電壓之後，電子流與電動流方向 皆向下流動，再利用電子與電洞能夠乘載熱載子，因而將熱由熱之來 源端帶往另一熱吸收端(heat sink)。TE cooler工作參數如表5-5所示，
其所使用之最大電流極限為2.5 A，最大帶熱量為21.4 W，最大工作 電壓為15.4 V，熱端與冷端最大溫差可到達67oC，藉此可將晶體光纖 邊界溫度控制在20oC以下。
圖5-7 熱電致冷器
圖5-8 TE cooler之工作示意圖
表5-5 TE cooler工作參數 (型號CP 1.0-127-08L)
圖5-9為fused silica包覆之晶體光纖雷射元件在1064 nm激發光束 入射下，其元件輸出端光束經由無色差聚焦透鏡將光準值為平行光，
再經過1200 nm高通濾波片之後進入光頻譜分析儀(optical spectra analyzer ,簡稱OSA)後所量測之頻譜圖，圖(a)激發光功率為1.23 W，
其兩頻譜peak1與peak2分別在1265 nm與1382 nm，valley位置在1321 nm處。圖(b)激發功率為1.93 W，peak1向右偏移至1270 nm，peak2向 右偏移至1397 nm，valley則偏移至1330 nm，隨著激發功率增加可以 發現頻譜強度亦跟著增加，並向長波長偏移，造成peak2有相對成長
11000 1200 1300 1400 1500 1600 100
200 300 400 500 600
Valley@1321 nm
Peak 2@1382 nm Peak 1@1265 nm
Wavelength (nm)
Spectra measured by OSA (pW)
(a)
11000 1200 1300 1400 1500 1600
200 400 600 800 1000
Spectra measured by OSA (pW)
Valley@1330 nm
Peak 2@ 1397 nm Peak 1@1270 nm
Wavelength (nm)
(b)
圖5-9 Cr4+:YAG晶體光纖輸出端頻譜圖，(a)入射功率為1.23W，
(b)入射功率為1.93W。
圖5-10 晶體光纖入射端面鍍膜與晶體損壞圖
實驗亦對不同的入射激發功率下量測其ASE光功率，如圖5-11所 示，ASE光功率隨入射激發功率增加而上升，在入射功率為4.7 W的 情況下，可獲得總ASE光功率為376 µW。
0 1 2 3 4 5
100 150 200 250 300 350 400
Incident pump power (W)
Total ASE power (µW)
圖5-11 總ASE光功率與入射激發光功率關係
目前尚未獲得晶體光纖雷射之輸出，其原因探討如下：
對於borosilicate玻璃包覆之Cr4+:YAG晶體光纖，其吸收係數值在 所包覆的晶體中為較大值0.376 cm-1，但由於其傳輸損耗約為0.6 dB/cm仍相當大，使得無法獲得晶體光纖雷射輸出。
Fused silica包覆之Cr4+:YAG晶體光纖，其傳輸損耗將可能小於0.1 dB/cm，將有機會獲得雷射輸出，然一方面由於目前鍍膜結果與設計 值有所差異，其研判可能為鍍膜材料吸收所造成之影響，因此無法獲 得雷射輸出；另一方面，由於fused silica包覆之晶體光纖，經過多次 生長與玻璃包覆後，其摻雜之Cr2O3與CaO濃度已大幅降低，使得晶 體吸收係數相當小，造成之增益亦隨之減小，增益無法大於損耗將無 法獲得雷射輸出，故未來必須克服鍍膜吸收問題來獲得雷射輸出，其 次若能夠增加晶體光纖之Cr2O3與CaO濃度來提高Cr4+離子濃度、吸收 係數，並再減小傳輸損耗，將更有利於雷射之輸出與提高晶體光纖雷 射之輸出效率。