Cr:YAG 晶體光纖的包覆與研磨拋光

因為 Cr⁴⁺:YAG 晶纖受激發光源幫浦時，會隨著晶纖溫度的升高 使得自發輻射生命期縮短，而導致 ASE 光源的輸出功率降低，因此 包覆晶纖的材料，選擇熱傳導效率較好的銅/錫金屬。而包覆的方法 是先將一銅塊加工出一個凹槽，然後將晶纖放入凹槽後，再以熔融的 錫合金倒入凹槽內，等冷卻凝固後再做研磨拋光的工作。而在包覆 Cr:YAG 晶纖之前，先在晶纖的側面鍍一層銅，以增加在包覆時晶纖 與錫合金介面的黏合度。

用銅錫金屬包覆好Cr:YAG 後，接著以研磨拋光機將晶纖的兩個 端面研磨拋光至符合光學元件要求的品質(~1/4 µm)。本論文使用 Struers 公司所生產的 RotoPol-22 數位式研磨拋光機，搭配 RotoForce-1 數位式研磨頭，具備高品質與高效能的特性。而我研磨拋光的程序如 表 3-1，先以顆粒直徑為 106 µm 的砂紙將試片端面磨至垂直平整，

然後再依序以較小顆粒直徑的砂紙將粗磨時所造成較深較大的刮痕 磨掉，直到刮痕的寬度與砂紙上的顆粒直徑大小一樣時，才可以進入 下一道程序。完成研磨的程序之後，即可進入拋光的程序，如表3-2，

此時刮痕的寬度約為3 µm 左右，因此拋光選擇以直徑為 3 µm 的鑽

石顆粒為第一道程序，然後依序為1 µm 和 1/4 µm。

表3-1 Cr:YAG 晶纖的研磨程序

試片種類 銅錫金屬包覆Cr:YAG 晶纖

潤滑劑 水

研磨盤轉速 300 RPM

磨頭施力大小 5 N

研磨程序

砂紙型號/顆粒大小(µm) 研磨時間(分鐘)

LECO #120/106 µm 1 LECO #800/10 µm 2 LECO #1200/3 µm 5

表3-2 Cr:YAG 晶纖的拋光程序

試片種類 銅錫金屬包覆 Cr:YAG 晶纖 潤滑劑 Struers 紅色拋光潤滑劑 研磨盤轉速 150 RPM

磨頭施力大小 5 N

拋光程序 拋光布型號/顆粒大小

(µm)

研磨時間(分鐘)

MD-Pan diamond/3 µm 8 MD-Dur diamond/1 µm 8 MD-Nap diamond/0.25 µm 10

研磨拋光的過程中若發現有大於顆粒直徑的刮痕，可以繼續以相 同顆粒的鑽石液將刮痕去除，或回到上一道程序。而在每一次更換程 序前，務必用酒精和去離子水將殘留在試片上的鑽石液去除乾淨，否 則不但會使晶纖端面的刮痕無法去除，同時也會造成拋光布的污染。

而晶纖研磨拋光最後的結果必須符合以下條件，才算完成整個程序：

1. 無刮痕或坑洞。

2. 無雜質介入。

3. 晶纖與包覆的金屬介面清晰。

4. 研磨拋光面平整，無凹凸不平或傾斜的情形。

而研磨拋光後晶纖端面的結果如圖3-1。

920µm

圖3-1 晶纖研磨拋光後的端面

在研磨拋光的過程中，亦必須注意以下會造成晶纖端面品質不佳 的因素：

1. 研磨拋光盤材質

研磨拋光盤的材質越硬，研磨拋光面就越平整，但只適合硬度大 於4 以上的試片，否則容易造成試片的崩裂。

2. 研磨拋光盤顆粒的硬度、大小、種類

研磨拋光顆粒的硬度和直徑越大，試片磨損的速率越快，但同時 亦容易造成硬度小的試片的碎裂，因此適合做試片初期端面的修整；

而顆粒直徑越小，磨損速度越慢，但相對的越不易損壞試片，因此適 合細磨和拋光。

3. 潤滑劑的使用

潤滑劑的使用主要是減少因試片與研磨拋光布摩擦產生的熱和 移除碎屑，以免造成試片和研磨拋光布的損壞。

4. 研磨拋光盤的轉速設定

研磨拋光盤的轉速越快，試片磨損的速度越快，刮痕和坑洞也越 多，因此研磨時的轉速設定為300 RPM，拋光時的轉速則設定為 150 RPM。

5. 在試片上的施力大小

施力的大小會影響試片上的磨損速率、刮痕深度和坑洞大小，因 此粗磨時可以加大施力以節省時間，細磨和拋光時則必須減小施力，

避免試片產生刮痕和坑洞。若使用研磨拋光機的手動模式，則亦必須 注意施力的平均，以免造成試片的歪斜。

6. 研磨拋光的時間

研磨拋光的時間越久，效果越好，但也會造成晶纖與包覆金屬之 間的高度差，以致影響光學實驗的結果，因此必須控制好研磨拋光的 時間，使晶纖的端面更平整。