高濃度梯度摻釹釔鋁石榴石晶纖雷射之研製

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(1)⊕ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 高濃度梯度摻釹釔鋁石榴石晶纖雷射之研製 The Study and Fabrication of High Doping Gradient Nd:YAG Crystal Fiber Laser. 研究生：盧宥任撰指導教授：黃升龍博士. 中華民國九十二年六月.

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(3) 致謝時間真的過得很快，研究所兩年的生活即將要邁入尾聲。我首要感謝黃升龍老師於這段期間不厭其煩地指導，使我在實驗技術與為人處世兩方面獲益良多，於此獻上誠心感謝。做研究的路上總是充滿著各式各樣的挑戰，感謝我們的學長姐：忠勇、俊仁、采璇、瑞昀、家彰和嘉進等學長姐於實驗和生活上的幫助。同時亦需感謝我的同窗伙伴，你們讓我學到很多東西。塗時雨讓我學到做事要積極細心，黃光瑤讓我學到個性良善、必有福報，裴善莊和卓裕傑教我許多做人做事的方法，蕭丞佐教我做事情要有規劃。在和大家相處的這段時間中，你們讓我更明白自己是什麼樣的人，這對未來選擇與我自己合適的路有極大幫助。碩士班學弟：江源、建智、育賢、和茂銓感謝你們一年來的陪伴，特別感謝莊江源學弟於實驗上的幫助。如果沒有你，我鍍完碳後會一個人擦的很辛苦。此外你也是我吐苦水的對象，謝謝你在我心情很糟時，願意聽我發牢騷。最後要感謝我的父母，你們的付出得以使我完成我的學業，感激你們對我的支持與愛護。謝謝大家在兩年來陪我走過這一段路，這個地方將是我最美好的回憶，同時願平安喜樂常與我的超快雷射實驗室伙伴同在，直到永遠。. 盧宥任 2003.7.7 於西灣. i.

(4) 中文摘要近年來光電技術發展迅速，因而順勢推動半導體雷射幫浦固態雷射之發展。本研究目的是希望結合半導體雷射體積輕、薄、短、小及固態雷射高峰值功率與高品質輸出模態的優點，開發出轉換效率高、壽命長、結構簡單、散熱容易，但增益介質體積卻比原塊材少千分之一的晶體光纖雷射系統。. 生長晶體的方法有許多種，本實驗室採用 LHPG(laser heated pedestal growth) 法生長晶體光纖，此方法具生長速度快，控制容易及無坩堝污染等優點。目前可生長出 23~365 µm 之高品質 Nd:YAG 晶體光纖，並且發現在其橫截面上 Nd3+離子濃度有內高外低的分布，進而使得光在此晶體光纖傳輸過程中有自聚焦的現象。. 若適當的控制生長速度及縮徑比，可生長出直徑 125µm ，外圍 Nd 3 + 濃度約 0.8-atm% ，峰值濃度達 3.6-atm% 的 Nd:YAG晶體光纖，而濃度差所造成峰值與周圍折射率差平均值，從 0.0036增加到 0.0076。此折射率分佈對於光傳輸可產生集光效果，期望有助於降低晶體光纖內部的傳輸損耗，提升雷射斜率效率。. ii.

(5) Abstract The rapid developments in optical and electronic technologies have accelerated. developments. of. solid. state. laser. technology.. The. diode-pumped solid state laser has the merits of the diode laser, such as compactness, low cost, and the merits of the solid state laser, such as high laser quality, high conversion efficiency, long lifetime, and simple structure. There use in laser applications is very cost-effective in terms of material consumption, which is typically one-thousandth that of bulk material. In addition, heat dissipation in the gain medium can be significantly alleviated because highly heat-conductive material can be applied to the circumference of the crystal fiber. So, it was applied in electronics, communication and medicine widely. The laser-heated pedestal growth (LHPG) method is now a well-established technique for the growth of single-crystal fibers. It is crucible free and can therefore produce high-purity, low-defect-density single crystals. Interface loss is one of the dominant factors that reduce the efficiency of crystal fiber lasers, although cladding with a dielectric coating or in-diffusion of the gain core has been utilized to suppress this interface loss. Using a gradient-index Nd:YAG crystal fiber with peak Nd concentration up to 1.6-atm.%, we recently demonstrated a laser power of 145 mW and slope efficiency 28.9%. Peak Nd concentration up to 3.6-atm.% Nd:YAG crystal fiber with a 20-µm core was grown, which could eliminate the interface loss and enhance the efficiency of crystal fiber lasers to be compatible with bulk solid-state lasers.. iii.

(6) 目錄 i. 致謝中文摘要. ii. 英文摘要. iii. 目錄. iv. 圖目錄. v. 表目錄. vii. 第一章緒論. 1. 第二章 Nd:YAG 晶體光纖雷射原理與原件製作. 5. 2.1 晶體特性. 5. 2.2 能階模型. 8. 2.3 傳輸損耗. 15. 2.4 晶體生長方法比較. 19. 2.5 元件金相分析製程. 24. 第三章 Nd:YAG 晶體光纖生長與量測. 31. 3.1 電子微探儀 (EPMA)之基本原理. 31. 3.2 碳膜蒸鍍. 34. 3.3 生長參數與 Nd 濃度分佈之關係. 36. 3.4 高濃度梯度晶體光纖. 41. 第四章 Nd:YAG 晶體光纖雷射製作. 43. 4.1 光學鍍膜. 43. 4.2 晶纖雷射輸出特性量測. 45. 第五章結論. 50. 參考資料. 52. 中英對照表. 55. iv.

(7) 圖目錄第二章. Nd:YAG 晶體光纖雷射原理與原件製作. 圖 2-1. Nd:YAG 在溫度 300K 之吸收頻譜. 8. 圖 2-2. Nd:YAG 能階圖. 9. 圖 2-3. Nd:YAG 四能階雷射系統示意圖. 10. 圖 2-4. Nd:YAG 準三能階雷射系統示意圖. 11. 圖 2-5. Nd:YAG 在不同波長激發下之能階圖形. 13. 圖 2-6. 光線在階式折射率光纖中之傳輸原理. 15. 圖 2-7. V 與β / k 之關係圖. 18. 圖 2-8. Czochralski 法示意圖. 20. 圖 2-9. LHPG 架構圖. 22. 圖 2-10 LHPG 法之生長腔示意圖. 22. 圖 2-11 熔區示意圖. 23. 圖 2-12 金相分析流程圖. 24. 圖 2-13 Nd:YAG 晶體光纖端面經 0.1µm 氧化鋁拋光後圖形. 30. 第三章 Nd:YAG 晶體光纖生長與量測圖 3-1. WDS 工作原理示意圖. 31. 圖 3-2. Rowland circle. 32. 圖 3-3. 試片鍍碳腔體示意圖. 35. 圖 3-4. 鍍碳用鋁座. 35. 圖 3-5. 經不同次數生長後晶體光纖 Nd 3 + 離子之濃度分. 37. 佈圖圖 3-6. 在不同速度抽拉晶體光纖下，造成不同的濃度梯度. 38. 圖 3-7. 以 2000 倍電子顯微鏡觀察直徑 365µm 晶纖中心點破裂. 39. v.

(8) 情形圖 3-8. 以 2000 倍電子顯微鏡觀察直徑 125µm 晶纖中心點破裂. 39. 情形圖 3-9. 二次生長與一次生長 Nd:YAG 晶體光纖濃度比較圖. 40. 圖 3-10 最高濃度梯度的 Nd:YAG 晶體光纖濃度圖形. 41. 圖 3-11 漸進式變化之單模光纖折射率分佈圖. 42. 圖 3-12 折射率差值與光模態侷域之程度. 42. 第四章 Nd:YAG 晶體光纖雷射製作圖 4-1. Nd:YAG 晶體光纖輸出端鍍膜後反射率與波長之. 43. 關係圖圖 4-2. Nd:YAG 晶體光纖雷射架構圖. 46. 圖 4-3. 以 Ti:sapphire 雷射激發 Nd:YAG 晶體光纖(T=2.4%)之. 48. L-I 曲線圖 4-4. 以 Ti:sapphire 雷射激發 Nd:YAG 晶體光纖(T=4%)之 L-I 曲線. vi. 48.

(9) 表目錄. 第二章. Nd:YAG 晶體光纖雷射原理與原件製作. 表 2-1. Nd:YAG 之物理特性. 7. 表 2-2. Nd:YAG 主要輻射頻帶之效率. 9. 表 2-3. Nd:YAG 四能階與準三能階雷射系統之比較. 12. 表 2-4. 在不同幫浦波長下計算雷射閥值與斜率效率比值. 14. 表 2-5. 砂紙號數與顆粒大小對照表. 28. 表 2-6. Nd:YAG 晶體光纖之研磨流程. 29. 表 2-7. Nd:YAG 晶體光纖之拋光流程. 30. 第三章. Nd:YAG 晶體光纖生長與量測. 表 3-1. 各種不同晶格間距的晶體. 33. 表 3-2. Nd:YAG 晶體光纖於 WDS 中所需的分析晶體 33. 第四章 Nd:YAG 晶體光纖雷射製作表 4-1. Nd:YAG 之入射端面光學薄膜設計參數. 44. 表 4-2. Nd:YAG 晶體光纖之生長參數表. 47. 表 4-3. 光學鍍膜參數表. 47. vii.

(10) 第一章緒論在可見光的三原色（紅、綠、藍）中，目前只有在紅光波段可以半導體雷射提供體積小、生命期長且價格低廉之商業化產品，藍、綠光波段則以氣體雷射為市場上之主流，因此，如何開發出小體積、價格低廉、生命期長的藍、綠光雷射是光電領域相當重要課題。藍、綠光雷射應用包括：資料儲存、雷射顯示器（如 :大螢幕電視、投影機、雷射劇院）、微細加工、精密定位、高解析度印刷。固態雷射系統所使用晶體之截面積大約為 10 mm 2，但是晶體受激發面積卻僅有數百平方微米 (µm 2 )。因此，若能將單晶抽細製成直徑 100 µm 的晶體光纖 (crystal fiber)，則所使用的體積約只有原使用體積的千分之一。如此一來將可節省晶體材料而大幅降低材料成本，同時，晶體內部熱的傳導半徑約減少為原來的 1/30，晶體直接與外部散熱材料接觸，故散熱效率高。此外，若以適當材料包覆 (cladding)晶體光纖，光在晶體光纖內部藉由全反射傳播，具波導 (wave guide)效果，可降低損耗，提高雷射效率。晶體光纖可有效地與傳統光纖耦合，所以晶體光纖雷射亦可應用於光纖通信。光纖通信系統需求小巧高效能的光源，雖然半導體雷射可滿足其需求，但仍需提升光源之效能以應用於單模光纖，例如輸出橫模及發散角、光耦合效率以及可使用之波長範圍等。而晶體光纖雷射具有高品質輸出的模態，光耦合效率佳，以及高輸出功率。使用之波長範圍可由 300nm 延伸至數微米，還可與 Cr 4 + :YAG 晶體特有的寬廣螢光譜線結合，製作寬頻雷射光源以及寬頻光放大器 [1]-[3]。. 1.

(11) 晶體光纖的生長方法有高溫溶液法、熔區法與氣態凝結法。其中，熔區法中又以雷射加熱提拉長晶法 (laser heated pedestal growth method， LHPG)因為易於控制晶體的晶向與直徑而廣泛地被使用。此法適於以共融 (congruent)方式成長各種晶體，而生長時不需容器盛載晶體，無坩堝污染的問題 [4]。此生長方法使用經聚焦之雷射做為熱源，可產生極高的溫度梯度，因此生長速度快，甚至可長出直徑小於十微米之晶體光纖，是目前最成功的生長方法之一 [5],[6]。在 1974 年，貝爾實驗室首度利用 LHPG 法生長摻釹釔鋁石榴石 (neodymium doped yttrium aluminum garnet， Nd:YAG) 晶體光纖並製成雷射。他們利用波長為 514.5nm 的氬離子雷射 (argon laser)作為激發光源，以直徑 50µm 之 Nd:YAG 晶體光纖作為增益介質，在激發功率為 140mW 得到 10mW 的波長 1064nm 雷射輸出，激發功率閥值為 11mW[7]。1980 年代， Stanford 大學的材料研究中心開發了各式材料的晶體光纖，並對晶體光纖的成長動力學、表面物理特性以及提高生長系統穩定性進行了許多的研究 [8],[9]， 1986. Digonnet 等人以. 可調波長的染料雷射 (dye laser) 在波長 600nm 的連續光 (continue wave， CW)下激發 Nd:YAG 晶體光纖，在 250mW 的激發功率下得到 65mW 的波長 1064nm 雷射輸出 [10]。在 1995 年，中國大陸的西安交通大學與北京清華大學合作研究，利用 Nd:MgO:LiNbO 3 晶體光纖為倍頻晶體，完成了腔外倍頻的研究，成功得到 10 µW，波長 532 nm 的連續綠光輸出 [11]。 2001 年俄羅斯科學家 S.M. Vatnik 以波長 808nm 的 diode laser 激發直徑 340µm 的晶體光纖，在輸出耦合穿透率 16%情形下，得到波長 1064nm 輸出雷射斜率效率為 22%[12]。. 2.

(12) 在 2002 年，本實驗室利用 LHPG 法生長出 220µm 摻釹釔鋁石榴石 (Nd:YAG)晶體光纖經玻璃包覆後，直接於研磨、拋光過的兩端面鍍膜製成雷射。以波長為 808nm 的 fiber pig-tailed LD 激發，得到波長 1064nm 輸出最高功率為 145mW 而雷射斜率效率為 28.9%。於理論分析後，發覺本實驗室所發展之晶體光纖傳輸損耗約為 1.3~3.1dB/cm，與 1986 年 M. J. F. Digonnet 等人所發表晶體光纖經玻璃包覆後傳輸損耗係數為 0.02~0.95dB/cm 相去甚遠，因此本論文目標除了發展易與光纖熔接的 125µm Nd:YAG 晶體光纖，並試圖降低晶體光纖的傳輸損耗，提升雷射的斜率效率。本實驗利用 LHPG 方法，以聚焦之二氧化碳雷射熔融 Nd:YAG 晶棒，並以生長出的 Nd:YAG 晶體光纖製成雷射。與過去所做的 Nd:YAG 晶體光纖雷射 [13],[14]有下列幾點不同處： 1. 使用高穩定度的二氧化碳雷射作為熱源，利用圓錐狀反射鏡使二氧化碳雷射光束形成環形光束，並使用對二氧化碳雷射有高穿透率的材料 ZnSe 作為圓錐狀反射鏡的支架，以得到均勻的環形光束。 2. 使用馬達轉速降為千分之一的步進馬達，做為子晶與原始晶棒的一維位移控制，大大降低系統的震動。 3. 控制 LHPG 法生長晶體之參數，使得晶體光纖橫截面之 Nd 3 + 離子濃度分佈具有一相當高的濃度梯度，影響折射率的分佈，以往是由 480×480µm 方棒直接一次生長成直徑. 3.

(13) 220µm，Nd 峰值濃度為 1.6atm%，而目前的晶體光纖是經二次生長至 125µm，Nd 峰值濃度達 3.6atm%，此有助於使光傳播路徑侷限於晶體光纖內，從而降低傳輸損耗。 4. 經研磨及拋光後的 Nd:YAG 晶纖表面，做表面量測後發現其表面相當平整，可減少入射光的散射損耗。本論文第二章將由 Nd:YAG 晶體特性開始介紹接著引入能階的概念，第三章將說明 Nd:YAG 晶體光纖濃度量測方法及結果，第四章雷射的光學鍍膜設計，第五章結論。. 4.

(14) 第二章 Nd:YAG 晶體光纖雷射原理. 由於 Nd:YAG 具有良好的光學、機械及熱性質，因此成為目前最常見的固態雷射晶體之一。本章將從 Nd:YAG 的晶體特性開始介紹，再由能階模型探討其如何放光，最後針對共振腔做傳輸模態的分析，並說明試片量測的製造過程。. 2.1 晶體特性固態雷射之增益介質可分為 2 個部份 :活性離子 (active ion)與基材 (host)。活性離子為主要之工作物質，負責產生激發輻射 (stimulated emission)，主導雷射的光譜特性；而基材則提供適當之陽離子空位 (cation-site)，以供掺雜的活性離子填入，同時影響雷射輸出功率與極化特性。一般來說，選擇掺雜之活性離子應根據下列條件做選擇: 1.具有適合的能階雷射上能階 (upper laser level)的生命期越長，則累積在雷射上能階的電子數越多，因而幫浦閥值低且輸出功率高。尤其在四能階雷射系統，下能階 (lower laser level)的電子會因碰撞而快速地跳至基態能階 (ground state)，相較於準三能階系統，可得到較高的居量反轉 (population inversion)，故雷射效率以四能階系統較高。 2.體積大小及價電數與取代原子相近若活性離子之體積及價電數與被取代的基材原子差異. 5.

(15) 越小，則基材原子排列變形越小，因此可形成品質完美的單晶，達到優良的雷射輸出性能。做為雷射增益介質的基材需具備下列特性: 1.良好的機械性質做為雷射增益介質必須具有堅硬而穩定的結構，以承擔足夠的內、外應力。 2.良好的熱性質熱膨脹係數 (thermal expansion coefficient)小 :雷射增益介質內部在工作狀態下正處於高溫，因此熱膨脹係數不可太大，否則將產生形變，甚至碎裂。熱傳導率 (thermal conductivity)大 :熱傳導越好的材料，越容易將內部的熱量傳導至表面，而不易因溫度影響雷射輸出功率及橫模品質。 3.良好的光學性質良好的雷射增益介質基材其折射率分佈均勻，且透明範圍大，光在基材內的損耗低，尤其雷射波長不可被基材吸收。 4.適合的晶格排列基材之晶格結構需具有適當的空位，以供雷射活性離子填入，而對基材之整體性質不會造成太大之影響。如果可供雷射活性離子填入的空位越多，可掺入的離子濃度越高，如此內部增益越高，雷射輸出功率也越高。. 6.

(16) 表 2-1 所列為 Nd:YAG 之基本特性，從此表中可以得知， YAG 是屬於立方晶體 (cubic crystal) ，因此具有各向同性 (isotropic) 之特性。 Nd 3 + 離子摻雜濃度一般約在 0.9 ~ 1.1atm.%，較高的摻雜濃度雖然可以提高增益，卻容易造成晶格變形、上能階生命期縮短、頻寬增寬、雷射晶體的光學特性劣化。一般連續式雷射需要良好的光束品質，故使用 0.6 ~ 0.8atm.%的掺雜。近年來由於單晶片雷射的發展，增益介質的厚度希望維持在 500µm 以下，必須在短距離內獲得足夠的增益，若同時希望具有高雷射斜率效率，則可將摻雜提高至 3atm.%，其效率優於 1atm.%的摻雜。若需要更高的摻雜，可選擇陶瓷多晶材料的 Nd:YAG[15]，其摻雜濃度可高達 9atm.%，近年來亦有不少致力於此方面的研究，然其雷射輸出品質稍差於單晶材料。表 2-1 晶體. Nd:YAG 之物理特性 Nd:YAG (Nd3+:Y3Al5O12). 中文名稱. 掺釹釔鋁石榴石. 英文名稱. Neodymium Doped Yttrium Aluminum Garnet. 晶體結構. Cubic. 晶格常數. 12.01Å. 摻雜濃度. 0.9 〜 3 atm.%. 熔點. 1970℃. 密度. 4.56 g/cm3. 莫氏硬度. 8.5. 7.

(17) 2.2 能階模型. 圖 2-1 為 Nd:YAG 在溫度 300K 之吸收譜線，由圖可得知， Nd:YAG 有四個主要的吸收頻帶，分別在 0.59µm、 0.75 µm、0.81µm 及 0.89µm。以 0.81µm 或 0.89µm 為激發的波長，可得到較高的量子轉換效率 (quantum efficiency)，電子從激發能帶轉換至亞穩態能階 (metastable state) 的過程中所產生的熱輻射也較少。. 圖 2-1 Nd:YAG 在溫度 300K 之吸收頻譜. 圖 2-2 為 Nd:YAG 的能階圖，其主要的輻射頻帶效率如表 2-2 所示。於眾多的雷射輸出譜線，以波長 1.064µm 的四能階輸出最強，也是最被廣泛應用的譜線。其次分別是波長 0.946µm 與 1.320µm 的雷射輸出，但其效率較差。若以同樣的雷射增益介質，透過非線性腔內倍頻技術，可得到紅、綠、藍三原色光，此三原色光則可被應用作為雷射電視的光源。. 8.

(18) 吸收能帶. 4. F3/2. λ=1.32µm. λ=1.84µm. λ=1.06µm λ=0.95µm. 4. I15/2. 4. I13/2. 4. I11/2. 4. I9/2 圖 2-2 Nd:YAG 能階圖. 表 2-2 Nd:YAG 主要輻射頻帶之效率[16] 輻射譜線. 電子躍遷能帶. 自發輻射比例. 倍頻後波長. 0.95 µm. 4. F3/2 → 4I9/2. 25 %. 藍光- 473 nm. 1.06 µm. 4. F3/2 → 4I11/2. 60 %. 綠光- 532 nm. 1.32 µm. 4. F3/2 → 4I13/2. 14 %. 紅光- 660 nm. 1.84 µm. 4. <1%. 紅外光- 920 nm. F3/2 → 4I15/2. 9.

(19) 在 Nd:YAG 晶體中，不同能階系統對應不同的雷射波長。對波長 1.064µm 的雷射輸出而言 Nd:YAG 雷射是四能階雷射，但對 0.946µm 的輸出卻是個準三能階雷射系統。相較於四能階系統，準三能階雷射不僅激發功率的閥值 (pumping power threshold)高，同時存在著嚴重的重複吸收損耗，使得準三能階雷射的效率低於四能階的雷射系統。圖 2-3 與 2-4 分別為四能階與準三能階雷射系統的示意圖 [17]，波長 1.064µm 與 0.946µm 的雷射上能階都是屬於 4 F 3 / 2 能階，但雷射下能階卻分別屬於. 4. I 11 / 2 與. 4. I9/2 兩個不同的能. 階。對於四能階雷射，由於下能階能量高於基態能階，因此在室溫常態分佈時，分佈於下能階的電子遠少於基態的電子，且經激發輻射躍遷至下能階的電子會因碰撞而快速地躍遷回到基態能階，使得在下能階的電子分佈量 N1 幾乎趨近於零，因此較容易達到居量反轉分佈。. 吸收能帶. N2. 激發波長 808nm. 4. F3/2. 11509 cm-1. 雷射波長 1064nm 4. N1→ 0. I11/2. 2114 cm-1. 基態能階. 圖 2-3 Nd:YAG 四能階雷射系統示意圖，其中 1cm - 1 =30GHz. 10.

(20) 吸收能帶. N2. 激發波長 808 nm. 11414 cm-1. 4. F3/2. 雷射波長 946 nm N1 = N 0 e−. 基態能階. 4. I9/2. ∆E. kT. 848 cm-1. N1 圖 2-4 Nd:YAG 準三能階雷射系統示意圖. 反觀準三能階雷射，其雷射下能階與基態能階同屬 4I9/2 能階，兩者的能量差 ∆E 約等於 0.105eV，根據波茲曼分佈原理 (Boltzmann distribution law)，雷射下能階的電子分佈量如下： N1=N0exp(-∆E/kT). (2-1). 其中， N 0 :基態之電子分佈量 N 1 :雷射下能階之電子分佈量 ∆Ε :雷射下能階與基態之能量差 k. :波茲曼常數. T. :晶體溫度. 11.

(21) 從式 (2-1)可得知，當 ∆E 小或是 T 高時， N 1 的分佈量將增加。因此，當 946nm 的 Nd:YAG 系統維持在常溫下，則 N 1 /N 0 =1.7%。但若雷射處在工作情況下，雷射晶體溫度上升至 280℃ 時，N 1 /N 0 的比例將提高至 11%，如此則將需要更多的激發能量才能達到居量反轉分佈 (∆N = N 2 – N 1 )，因此準三能階雷射激發功率閥值一般都比四能階雷射高。. 表 2-3 Nd:YAG 四能階與準三能階雷射系統之比較雷射系統. 四能階系統. 準三能階系統. 輸出波長. 1064 nm. 946 nm. 電子躍遷能階 4. F3/2 輻射比例增益. 4. F3/2 — 4I11/2. 4. F3/2 — 4I9/2. 60%. 25%. 較高. 較低. σ= 2.8×10-19 cm-2. σ≈ 2.8×10-20 cm-2. 雷射上能階 N2 在常溫下佔 4F3/2 的 40%. 在常溫下佔 4F3/2 的 60%. 雷射下能階 N1. 極小. 較大. 重複吸收損耗. 無. 有. 激發功率閥值. 低. 高. 12.

(22) 激發態激發 Pump band. Pump band. Laser transition. Upper lasing level. 808nm. 885nm Lower lasing level. 傳統式激發. 激發態激發. (a). (b). 圖 2-5 Nd：YAG 在不同波長激發下之能階圖形, (a)808nm, (b)885nm 對 Nd:YAG 四能階雷射系統而言，若以傳統 808nm 幫浦波長將電子由基態能階激發至吸收能帶，雷射晶體在吸收幫浦光源及釋放出雷射光子的過程中必伴隨著熱生成使得雷射晶體溫度上升，同時電子從幫浦能帶轉換至亞穩態能階時亦產生餘熱(waste heat)。熱能的產生會限制雷射的輸出功率影響光模態，因此解決散熱問題是高功率固態雷射的重要課題。解決散熱問題，一般而言可分為兩大方向。其一將晶體熱能產生視為必然結果，改變雷射的外部結構將熱導出，例如:晶體光纖，平板(slab)、圓盤式(disk)增益介質，擴散接合之複合式晶體，補償式共振腔；其二即變化幫浦波長，直接減少晶體熱能的產生。. 13.

(23) 885nm 幫浦波長將電子從基態能階直接激發至雷射上能階(以下簡稱激發態激發)，被視為取代傳統 808nm 幫浦波長的新選擇。因為激發態幫浦將 Stokes 效應及量子效率所造成損失降到最低。此外，部分的幫浦能量乃由晶體的餘熱所貢獻，可減少雷射晶體的熱負載，增加雷射輸出效率。根據前述之理論建立一直觀模型，瞭解激發態激發與其他波長激發對雷射的斜率效率及閥值有何影響？假設在光束模態匹配及幫浦光的吸收程度均為相同的條件下，當以λ1 及λ2 兩種不同幫浦波長入射晶體時可得下二式[18]： η slope (λ1 ) η s (λ1 ) η QE (λ1 ) λ1 η QE (λ1 ) = = η slope (λ 2 ) η s (λ 2 ) η QE (λ 2 ) λ 2 η QE (λ 2 ). (2-2). Pth (λ1 ) η slope (λ 2 ) = Pth (λ 2 ) η slope (λ1 ). (2-3). 其中，ηs 及ηQE 分別為 Stokes 參數及量子效率。Stokes 參數表示幫浦光子能量對雷射輸出光子的能量比例；而量子效率對一般的雷射物質約略為常數 1[17]。由式(2-2)可知，幫浦波長及量子效率的增加可以使得雷射效率提升。在 Nd:YAG 四能階雷射系統中，最長的幫浦波長是將電子從基態 4I9/2 層激發至雷射上能階 4F3/2，此過程將吸收能帶與雷射上能階視為重合，故本雷射放光的過程中只有三能階。本系統相較於傳統的準三能階雷射系統，雷射下能階與基態能階重合的情形迥然不同。表 2-4 在不同幫浦波長下計算雷射閥值與斜率效率比值[19] 不同幫浦波長組合. 功率閥值比值. 斜率效率比值. 885nm/808nm. 0.87. 1.15. 869nm/808nm. 0.88. 1.13. 885nm/869nm. 0.98. 1.02. 14.

(24) 2.3 傳輸模態一般通訊用光纖之種類依傳輸模式可分為單模光纖 (single mode fiber)和多模光纖 (multi-mode fiber)，其中多模光纖又依折射率分佈分為階式折射率 (step index)光纖和漸進式折射率光纖 (graded index)。同樣地，本論文所使用之晶體光纖也可依此區分。. 以幾何光學理論來分析，光線在光纖中的傳輸形式可分為兩種： (1)子午光線 (meridional ray)：此種光線會和光纖軸線相交並不斷的反射前進。 (2)斜射光線 (skew ray)：此種光線反射前進的過程並不和光纖軸線相交，而是繞軸線前進。以子午光線為例，其傳輸原理如圖 2-6 所示， n 1 、 n 2 分別為纖心 (core) 和纖殼 (cladding)的折射率，在包含光纖軸線的平面上，入射光線以入射角 θ0 打入光纖端面，在光纖內部，光線則以出射角 θ 繼續在纖心傳輸，依據司乃爾定律 (Snell’s law)可寫成下式：. n 0 sin θ 0 = n 1 sin θ. (2-4) n2. θ0. n1. 纖衣(cladding) 纖心(core). θ θc. 圖 2-6 光線在階式折射率光纖中之傳輸原理 15.

(25) 在纖心內傳輸的光，傳到纖心和纖衣的介面會產生反射，此時若發生全反射，可使光線持續在纖心內傳輸。依司乃爾定律，發生全反射的臨界角有以下的關係： sin θ c = n 2 /n 1. (2-5). 令 n 0 =1，可得： π  sin θ 0 = n 1 sin  − θ c  = n 1 1 − sin 2 θ c = n 12 − n 22 2 . (2-6). 此以數值孔徑 (numerical aperture)之參數定義：. NA = sin θ 0 = n 12 − n 22. (2-7). 數值孔徑 NA 描述光纖接受光的能力， NA 值越大，光線進入光纖中的量就越多。滿足傳輸條件之不同入射角的光，在纖心中傳播時有不同的路徑，其傳輸速度就有差異，這些速度不等的光線就構成不同的傳輸模式，因此有單模和多模光纖之分。. 由電磁波理論來分析，則將光纖視為圓柱形波導，以 Maxwell 方程式求解。若選擇光纖沿 z 軸傳輸，纖心半徑為 a，得電磁場之解為：.  AJ ν (UR)   sin νφ  j (ωt − βz ) e Ez =    CK ν (WR)   cosνφ   BJ ν (UR)   sin νφ  j (ωt − βz ) e Hz =     DK ν (WR)   cosνφ . 16. r≦ a r≧ a r≦ a r≧ a. (2-8). (2-9).

(26) 其中. 2 U = a n 12 k 2 − β ， W = a β 2 − n 22 k 2，R = r/a. 式中 ω 為光的角頻率， β 為傳播常數 (propagation. constant)， J ν (UR) 為第一類 ν 階 Bessel 函數， K ν (WR) 為第二類修正型 ν 階 Bessel 函數， A 、 B 、 C 、 D 為任意常數。由 (2-8) 、 (2-9) 式，從電磁場切線分量連續為出發點，進行傳輸模態的討論。圓柱形波導有別於矩形波導，除了 TE 、. TM 模 (mode) ，還有 HE 、 EH 模。當 ν =0 時，對應 TE 、 TM 模，直接以特徵方程求解；當 ν ≠ 0 ，則對應 HE 、 EH 模，只能用數值分析的方法求解。於此再引進一參數 V： V = U2 + W2 =. 2πa n 12 − n 22 λ. V 稱之為歸一化頻率 (normalized frequency) 。. 17. (2-7).

(27) 圖 2-7 為 V 與 β /k 之關係，如圖所示，HE 11 為光纖的基模，其截止頻率為零，也就是在任何光纖中永遠存在的模態。若適當地選擇參數，使得. V ≦ 2.405. (2-8). 就能使光纖中只傳輸一種模態，此光纖就稱之為單模光纖. [20] 。. 圖 2-7 V 與β / k 之關係圖[20] 本論文的雷射輸出是經由晶體光纖傳輸振盪而得，所以晶體光纖的參數充分地影響雷射橫模的優劣。雷射橫模的品質好壞可由 M2 參數得知，其定義如下： M2 =. 2W0Θ 2 w0θ. (2-9). 其中 w 0 與 W 0 分別為雷射基態橫模 (TEM 0 0 ) 與真實光束的光腰半徑 (spot size) ， θ 與 Θ 為雷射基態橫模與真實光束的發散角 (divergent angle) ， M 2 值越接近 1 ，代表越接近理論上的 TEM 0 0 模 Gaussian beam 。. 18.

(28) 2.4 晶體生長方法本章將介紹雷射加熱提拉長晶法 (laser heated pedestal. growth ， LHPG) 的生長方法、生長架構及其特性，再說明如何利用此法生長出的晶體光纖加以包覆、研磨及拋光，製作出雷射增益介質的元件。生長晶體的方法常見的有 Czochralski 法、 Verneuil 法、熔區 (floating zone) 法、 Bridgman-Stockbarger 法、高溫溶液法等，其中 Czochralski 法與熔區法近年來受較多人討論與使用。 Czochralski 法如圖 2-8 所示，以高溫爐將坩堝內的原料熔融，並將黏有子晶的長棒與熔融液接觸，再將長棒緩慢拉起。由於表面張力的作用，部分熔液會被子晶拉出液面而冷凝成晶體，緩慢地將長棒一邊旋轉一邊向上拉起，晶體則會繼續被冷凝結晶出來，而新生長出晶體的晶向則決定於子晶。 Czochralski 法生長速度為每小時 1 至 100mm，旋轉速度為 10 至 100 轉 [21] 。但由於 Czochralski 法具有耗時、耗能以及坩堝污染等缺點，且無法生長出直徑數十微米以下之晶體，故本論文使用 LHPG 法生長晶體光纖。 LHPG 法為熔區法的一種，使用經聚焦之雷射做為熱源，可生長出直徑更小、品質更好之晶體。. LHPG 法首度由 Burrus 與 Stone 用以生長紅寶石 (ruby) 晶體 [14] 。此方法亦可用以做為其他用途之晶體生長，例如 : 內科視鏡系統所用的藍寶石晶體光纖，二次諧波產生 (SHG) 用的倍頻晶體 [22] ，光儲存用的鈮酸鍶鋇 (strontium barium. niobate ， SBN)[23] ，以及高溫超導體 [24],[25] 。. 19.

(29) 圖 2-8 Czochralski 法示意圖. LHPG 法是利用經聚焦之二氧化碳雷射做為熱源，加熱原始晶棒一端使其熔融，再以單晶做為子晶，接觸熔區並予以拉提，而長出新的晶體。 LHPG 法最引人注目的特點為原始晶棒除了可使用單晶或多晶外，亦可將粉末壓成塊狀做為生長晶體之用。對於組成複雜或相變化複雜的材料來說，往往需要許多控制條件或添加助熔劑，然而 LHPG 法生長出來之晶體的組成與晶向決定於子晶而不需其他複雜的控制或添加物。此外，為避免節點的產生與直徑變動而造成之散射損耗 (scattering loss)，系統必須至少在半小時內維持 ± 1% 之熱穩定度，使用高穩定性的二氧化碳雷射即可輕易達到此要求. [5] 。 LHPG 法生長晶體有以下優點 : 1. 速度快以聚焦之雷射光束做為熱源，其溫度梯度可達 10 3 ℃. /cm[22] ，比 Czochralski 法 20~50 ℃ /cm 的溫度梯度 [23] 高出 20 倍之多，因此可在 1~10mm/min 之速度快速地生長晶體。. 20.

(30) 2. 適用於各種熔點與組成的晶體 LHPG 法可依不同晶體的熔點改變其輸出功率，以將其熔融，其焦點溫度可達 2800 ℃ 以上 [26] 。同時， LHPG 法生長之晶體其組成與晶向完全遵循子晶的特性，若要生長不同晶向之晶體，僅需針對子晶晶向加以選擇，而不需改變生長方向或更改生長設備。. 3. 可生長直徑極小的晶體光纖生長出來的晶體光纖的直徑與熔區高度相近，可調整雷射光束輸出功率形成極小的熔區，我們已生長出最小直徑. 23µm 的晶體光纖。 4. 無污染問題晶體的熔區乃雷射加熱原始晶棒之一端而達熔融，不會與任何容器接觸，因此在生長過程中避免了污染而造成晶體品質受影響的問題。. 5. 經濟、效率高 LHPG 法生長晶體光纖所需的材料很少，所需的能源亦小，例如使用 4W 之二氧化碳雷射輸出功率即可熔融直徑 0.5. mm 之 YAG 原始晶棒 [26] 。同時，整個生長過程約在數十分鐘內即可完成，並可利用電腦做生長晶體光纖之自動控制，既精確又穩定。圖 2-9 為本論文所使用之長晶裝置，系統之熱源為一 100W 的連續式二氧化碳雷射，經衰減器將功率衰減後，由二個凸透鏡將二氧化碳雷射光束擴束，使原來直徑 5mm 的雷射光束擴增為直徑 3cm ，再進入生長腔。. 21.

(31) HP VEE 自動控制. 反射鏡1. 100W CO2 雷射功率計. 生長腔反射鏡2. 功率衰減器. 分光器擴束鏡片 PC. 圖 2-9 LHPG 架構圖. 拋物面反射鏡. 子晶新生長的晶體 CO2雷射. 熔區 CO2雷射束平面反射鏡. 圓錐狀反射鏡. 晶棒. 內圓錐外圓錐. 圖 2-10 LHPG 法之生長腔示意圖如圖 2-10 所示，進入生長腔之雷射光束，經過一組內外圓錐反射鏡，將原先的圓形光束轉為環形光束，再經一傾角 45 度之平面反射鏡反射，最後由拋物面反射鏡使之聚焦於原始晶棒之頂端，造成原始晶棒頂端熔融。. 22.

(32) rf 固態熱流結晶熱向上抽拉速度Vf. 液態熱流向上推送速度Vi. ri 圖 2-11 熔區示意圖原始晶棒頂端熔融形成熔區後，緩慢地使子晶下移與熔區接觸，然後調整熔區形狀，使上下兩個固液界面呈水平；再緩慢地將子晶往上拉，並調整二氧化碳雷射輸出功率大小以調整熔區大小。此時，一面將子晶向上拉，一面將原始晶棒往上送，便可生長出本論文所需之晶體光纖，如圖 2-11 所示。長晶的原理主要依據質量守恆。由於質量守恆，推送原始晶棒與提拉子晶的速度比 (V i /V f ) 與生長晶體的縮徑比 (r f /r i ) 有下列關係 [27] ： Vi = Vf ⋅. rf. 2. ri. 2. ⋅. ρf ρi. (3-1). 其中， ρ f 與 ρi 分別為長成晶體光纖與原始晶棒的密度。. 23.

(33) 2.5 元件金相分析製程. 以LHPG法生長出直徑100~200µm 的Nd:YAG晶體光纖. 切割晶纖並以丙酮、酒精、去離子水三階段清洗後，送南成公司做玻璃包覆. 將玻璃包覆晶纖做熱鑲埋，碳粉高度必須高於玻璃樣品，鑲埋壓力70~80kg/cm2. 試片研磨拋光至0.25µm，確定六角晶纖端面完整後，將試片再以酒精及去離子水震盪清洗後陰乾. 試片鍍碳準備打EPMA. 圖 2-12 金相分析流程圖準備外徑 7mm 內徑 500µm 之 Pyrex 玻璃毛細管，將長成之 Nd:YAG 晶體光纖與包覆用的玻璃毛細管先利用超音波清洗機以丙酮 (acetone) 為清潔溶劑震盪 5 分鐘，為將晶體光纖及玻璃表面的污垢及雜質溶解，接著將舊溶劑倒出，更換為清潔之丙酮溶劑，再震盪 5 分鐘；之後再依序以乙醇. (alcohol) 及去離子水 (de-ionized water) 為清潔溶劑依同樣程序震盪 2 次，每次 5 分鐘，即完成清潔程序。. 24.

(34) 將清潔的 Nd:YAG 晶體光纖放入乾淨的 Pyrex 玻璃毛細管內，並使用炔氧燄 (acetylene/oxygen flame) 燒融接合，再置入 500~600 ℃ 之退火爐 4 小時，以免因 Pyrex 玻璃與 Nd:YAG 晶體之熱膨脹係數差異而導致之熱應力與裂痕之產生。在使用炔氧燄燒融 Nd:YAG 晶體光纖與 Pyrex 玻璃毛細管時，必須注意其界面不可有空氣殘留，亦不可產生裂痕。. Nd:YAG 之光折射率 n 1 為 1.82 ， Pyrex 之光折射率 n 2 為 1.47[28]，由 (2-4) 式得知以 Pyrex 玻璃包覆之 Nd:YAG 晶體光纖其數值孔徑 (NA) 為：. NA = sin θ 0 = n 1 sin θ. (2-4). =(n 1 2 -n 2 2 ) 1 / 2 ≒ 1 ∴ θ0為任意角. (2-5). 由式 (2-5) 可知，以 Pyrex 玻璃包覆之 Nd:YAG 晶體光纖之接受角 (acceptance angle) θ 0 為任意角，有利於使用半導體雷射作為激發光源所衍生之耦合效率不佳的問題。將以 Pyrex 玻璃包覆完成的 Nd:YAG 晶體光纖以不同顆粒大小之碳化矽 (SiC) 砂紙，由粗而細依序進行研磨. (grinding)，再使用各式拋光布搭配不同顆粒大小的鑽石噴霧及氧化鋁，以顆粒大至顆粒小依序進行拋光 (polishing) 。研磨是指以銳利的研磨粒 (abrasives) 切出樣品碎屑的過程，用以得到一平整的表面；拋光為接續研磨後的過程，能將研磨所產生的變形及刮痕移除。而影響研磨 / 拋光效果的因素如下所列: 25.

(35) 1. 研磨 / 拋光盤之材質研磨 /拋光盤材質越硬，研磨 /拋光面越平整。然硬度小的樣品不適用於材質硬的研磨 / 拋光盤，應使用材質較軟的研磨 /拋光盤，否則將造成樣品的斷裂或邊緣崩塌。. 2. 研磨粒的種類、硬度、大小及用量研磨粒指研磨和拋光所使用的研磨材料。維氏硬度約. 8000HV 的鑽石 (diamond) 是最廣泛使用的研磨粒，維氏硬度約 2500HV 的金鋼砂 (silicon carbide， SiC) 為砂紙所採用的研磨粒，維氏硬度約 2000HV 的氧化鋁 (aluminum oxide) 拋光則是用以產生一種無刮痕的表面；越硬的研磨粒磨耗速率越高，但對於硬度小的樣品卻容易造成斷裂或邊緣崩塌，研磨粒的硬度須為待製備材料硬度的 2.5 到 3 倍，否則易產生製備假象。而研磨粒越小，殘留的刮痕、坑洞也越小，但磨耗速率低。研磨粒的使用量應視所使用的研磨 / 拋光盤盤面之種類及樣品的硬度而定；當硬的樣品配合低彈性拋光布使用時，研磨粒磨損較快，以致研磨粒的消耗量會大於軟的樣品配合高彈性拋光布之使用方式 [29] 。. 3. 潤滑液 (lubricant) 成份及用量在研磨 / 拋光過程中，需使用潤滑液以減少磨擦對樣品與研磨 / 拋光盤的損壞，越軟的材料須用越多的潤滑液，可延長研磨 / 拋光盤與拋光布之使用壽命，同時將產生的熱量以及碎屑移除。潤滑液的用量也必須調整，以達最佳效果，基本原則是使拋光布面整體均勻地沾濕。另外，須注意潤滑液之成份是否適用於樣品，不會對樣品造成腐蝕或溶解，亦不會與樣品發生化學反應。. 26.

(36) 4. 研磨 / 拋光盤轉速研磨 / 拋光盤轉速越快，磨耗速率越高，但形成的刮痕與坑洞數目越多，且產生的熱量亦較多。對於研磨，可使用高轉速以便將材料快速移除；對於拋光，則使用低轉速以避免研磨粒拋出盤面。. 5. 施在樣品上的力量視樣品的面積而定。施在樣品上的力量將影響刮痕與坑洞的大小與深度，力量越大雖然磨耗速率越高，但刮痕與坑洞越大、越深，且過大的施力易造成摩擦及溫度增加而使拋光布損壞。. 6. 時間視樣品的面積與所使用的研磨粒種類及顆粒大小而定。製備時間應儘可能縮短，以免造成浮雕 (relief) 或邊緣圓化 (edge rounding) 等假象。適當地控制以上變因，以期製作出完美的研磨 / 拋光面。完美的研磨 /拋光面則須滿足以下條件：. 1. 無變形 (deformation) 。 2. 無刮痕或坑洞存在。 3. 無雜質介入。 4. 不同材質間的界面清晰。 5. 研磨 / 拋光面平整，無浮雕或邊緣圓化的情形。浮雕為製備複合材料時，個別材料之硬度及磨耗率不同所致，可縮短製備時間或選擇低彈性之拋光布以避免. 27.

(37) 之。邊緣圓化則是由於使用高彈性之拋光布，致使材料從側邊周圍移除，除了適當地選擇拋光材料，可縮短製備時間，減少施力以及改用低彈性之拋光布以避免之。. 6. 沒有因研磨 / 拋光產生之熱而導致之破壞。本論文使用 Struers 公司所生產的 RotoPol-22 數位式研磨拋光機，配合 RotoForce-1 數位式自動研磨頭進行研磨拋光，所使用之砂紙為 Leco 公司所出產，其砂紙號數與顆粒大小的對照表如表 2-5 所示。. 表 2-5. 砂紙號數與顆粒大小對照表. 砂紙號數. 120. 400. 600. 800. 1200. 顆粒大小 (µm). 106. 25.8. 15.3. 10. 3. 28.

(38) 表 2-6. Nd:YAG 晶體光纖之研磨流程樣品. Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 潤滑液種類. 水. 研磨盤轉速. 300RPM. 磨頭施力大小. 5Nt. 研磨流程研磨時間(分鐘). 砂紙種類. SiC paper #400. 1. SiC paper #600. 1. SiC paper #800. 1. SiC paper #1200. 3. 表 2-6 為本論文製備元件的研磨流程，在每一道程序的研磨過程中，需隨時觀察樣品是否有坑洞或雜質進入，若有，則要繼續研磨以去除之。上述研磨時間只是一般的參考，真正的完成研磨是在每一道程序去除上一道程序所造成的刮痕。研磨完成後便是拋光的工作，表 2-7 為本論文製備元件的拋光流程。. 29.

(39) 表 2-7. Nd:YAG 晶體光纖之拋光流程. 樣品. Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 潤滑液種類. Struers 紅色拋光潤滑液. 研磨盤轉速. 150RPM. 磨頭施力大小. 5Nt 拋光流程. 研磨粒大小. 拋光液滴速. 拋光時間. 與拋光布種類. ( 滴 /分 ). (分鐘). 6µm 單晶鑽石噴霧 MD-Pan. 6. 6. 3µm 單晶鑽石噴霧 MD-Pan. 6. 6. 1µm 單晶鑽石噴霧 MD-Dur. 6. 8. 1/4µm 多晶鑽石噴霧 MD-Nap. 6. 10. 0.1µm 氧化鋁膏 SP-PoliCel2. 20. 由於 YAG 的硬度 ( 莫氏硬度 8.5) 很高，應使用鑽石研磨粒拋光，只有鑽石能快速地將材料移除，然作為雷射晶體其表面平整度要求甚高，為了去除這些細小的刮痕，最後再以氧化鋁膏 0.1µm 拋光，圖 2-13 為 0.1µm 氧化鋁膏拋光後的拋光面放大圖。由本圖可發現 Nd:YAG 晶體光纖的橫截面呈六邊形。. 125µm. 圖 2-13 Nd:YAG 晶體光纖端面經 0.1µm 氧化鋁拋光後圖形 30.

(40) Nd:YAG 晶體光纖生長及量測. 第三章. 為了對本實驗室所生長出來的晶體光纖進行離子濃度定量分析，可藉由電子微探儀來進行量測。本章將介紹電子微探儀的基本工作原理，試片的製鍍過程，以及試片量測結果分析。. 3.1 電子微探儀之基本原理 EPMA 的試片受到入射電子束碰撞而產生特性 X 射線，這些特性 X 射線以特定起飛角度射入 X 射線波長分析儀內(Wavelength. dispersive X-ray spectroscopy，簡稱 WDS )，經分析用晶體繞射分光並聚焦，最後將特性 X 射線聚集在偵測器的入口處，如圖 3-1 所示。如何使用 WDS 測量未知濃度試片中各元素含量呢？主要是利用未知試片與已知濃度標準試片中各元素由於濃度不同，所以貢獻之特性 X 射線強度亦不同。兩者經比較和換算後即可由已知濃度試片推算出未知試片濃度的大小。. 分析用晶體 C. 電子束. θ 繞射 X 射線. Rowland 圓. L R. θ. 入射 X 射線. 試片 S. 偵測器 D. 圖 3-1 WDS 工作原理示意圖. 31.

(41) X 射線波長散佈分析儀 X 射線源點 S 點(即電子束撞擊試片處)、分析用晶體 C 點及偵測器入口處 D 點，三點必須同時落在以 R 為半徑的聚焦圓上(此圓稱為 Rowland 圓)。因此刻意將分析用晶體磨成晶面曲率半徑為 2R 之弧形，使晶體兼具繞射及聚焦的功能。這些幾何條件的配合，使得 X 射線源來的入射線皆能以相同的入射角度α入射晶體，如圖 3-2 所示. [30]。產生繞射後反射線又以相同的角度反射匯集在偵測器入口處。因此，在圖 3-2 中線段 SC 長度等於線段 CD 長度。在實際分析測試進行時，分析用晶體往 X 射線起飛角度α的方向移動，偵測器必須隨時配合移動，使得 S、C、D 三點維持在以相同的 R 為半徑的 Rowland 圓上，變動後的線段 SC 長度等於變動後的線段 CD 長度，如此就可以隨時匯集繞射的 X 射線於偵測器之入口處。. 圖 3-2. Rowland circle. 試片源點 S，分析用晶體 C，及偵測器入口處 D 三點皆落在 Rowland 圓上. 32.

(42) 分析用晶體的選擇若 X 射線源與分析用晶體之距離為 L，而 Rowland 圓之半徑為 R，X 射線對分析用晶體之入射角為θ其關係可表為 L=2Rsinθ。其中. L=SC=CD 滿足繞射條件的 X 射線必遵守布拉格定律(Bragg’s law)，即. 2dsinθ= n λ，若將上述二式相除並處理可得 L =. nR λ d. 因 R 值固定，而 d 值在選定晶體後亦固定，因此改變 L 可以獲得不同波長的特性 X 射線繞射訊號；使用一系列不同 d 值的分析晶體(如表 3-1) [31]，則可以收集到各種不同波長範圍的特性 X 射線之繞射訊號，如此才能分析多種不同元素。表 3-1 各種不同晶格間距的晶體 Name. Abbreviation. Formula. Lithium fluoride. LIF. LiF. 200. 4.027. Quartz. QTZ. SiO2. 1011. 6.686. Pentaerythritol. PET. C5H12O4. 002. 8.742. Ammonium dihydrogen phosphate. ADP. NH6PO3. 101. 10.64. KAl3Si3O12. 002. 19.84. C8H5O4Tl. 1010. 25.9. Mica (muscovite) Thallium acid phthalate. TAP. Reflecting plane. 2d(Å). 對本實驗室所需量測的 Nd:YAG 晶體光纖而言，由於 Nd:YAG 包含. Nd、 Y 、及 Al 三種元素，它們於 WDS 中所需使用的晶體，如表 3-2 所示：表 3-2. Nd:YAG 晶體光纖於 WDS 中所需的分析晶體元素. 原子序. 晶體. 特性 X 射線. Nd. 60. LiF. Lα. Y. 39. PET. Lα. Al. 13. TAP. Kα. 33.

(43) 3.2. 鍍碳技術由於 YAG 材料屬於絕緣體，而為了引導量測電子束並且避免電. 子累積在晶纖端面上必須提供試片適當的導電界面層，但是因著多了此界面層會衰減特性 X 射線強度，並且吸收入射電子束的能量，造成量測的誤差。為了將這些誤差減少到最低，所以要慎選鍍膜的材料及厚度。. 目前本實驗用來鍍膜的材料為碳，主因其原子序低，對樣品所放射之特性 X 射線影響極小，並且在 WDS 所要量測的頻譜中碳本身將不產生特性 X 射線，因此可將量測誤差降到最低。Nd 摻在 YAG 材料中所佔比例約在 1~3atm%屬微量元素，因此必須十分注重量測的準確度，才能得到正確的 Nd 濃度值。. 碳膜的品質與厚度對量測有極大影響，若碳膜層太薄可能會導致電子束難以聚焦，因而改變特性 X 射線強度；碳膜層太厚，會使膜層吸收過多的特性 X 射線;碳膜層不均勻，被電子束所偵測的區域，在高電壓下將會有大量的電子累積，偵測器後來之電子受到原先累積在晶纖端面電子的排斥就無法再打到樣品上，於是電子束產生偏折形成量測的障礙。對於本實驗的 YAG 材料及一般所要量測的樣品而言，理想的碳膜厚度約在 15~20nm。. 34.

(44) 熱蒸鍍與光學監控碳的熱蒸鍍是藉著高電流在兩碳棒的接觸端點通過時產生高熱，使碳先熔化再蒸發灑在已經製備好的樣品上，如圖 3-3 所示。為有效控制碳膜厚度，特設計一鋁座，見圖 3-4。可以將樣品及半導體雷射同時夾在此座上，固定鍍碳時試片之位置及高度變因。置放 Newport. 818-SL Silicon detector 於玻璃鐘罩頂端，在蒸鍍之前先偵測一次紅光半導體雷射的光功率，並於蒸鍍之後再偵測一次。本實驗即藉著光功率的比值，來達成控制碳膜厚度的目的，這樣的方法已可以使得樣品量測的總體重量百分濃度達到接近百分之一百，有助於提升 Nd 濃度量測的準確率。 Silicon detector Carbon rod. Semiconductor laser covered with sheet glass. Vacuum pump. 圖 3-3 試片鍍碳腔體示意圖紅光半導體雷射. 待鍍樣品擺放區域. 圖 3-4. 鍍碳用鋁座. 35.

(45) 3.3. 生長參數與 Nd 濃度分佈之關係雷射輸出性能主要取決於晶體品質，而晶體的折射率影響了傳播. 路徑及光模態。於晶體光纖中折射率與摻雜濃度成正比，本節針對不同情形下生長 Nd:YAG 晶體光纖之濃度分佈做一系列的量測與探討。最後目的是希望由生長參數控制增益分佈，增強晶體光纖的導光性。. 以 LHPG 法生長晶體光纖的過程中，晶體之熔區處於熔融狀態，內部離子具有相當高之動能而發生運動，部分物質可能擴散至表面並汽化而離開氣體 [5]，於是摻雜離子的濃度分佈及平均濃度大小均會改變。除溫度梯度所造成之溶解度及擴散速度差異將改變掺雜離子的濃度分佈，呈拋物面的固液界面存在一電場，亦將對離子分佈產生影響。此外，掺雜離子的濃度分佈影響晶體的折射率分佈，若能夠量測並有效控制掺雜離子與折射率分佈，則可用以加強雷射增益介質之增益大小並降低傳輸損耗。利用 Jeol 8900R 電子微探儀對 Nd:YAG 晶體光纖橫截面進行 Nd 3 + 離子濃度分佈的量測，發現經由不同次數生長過後的晶體光纖其 Nd 3 + 離子濃度分佈也不同，如圖 3-5 所示，未經生長過的原始晶棒 Nd 3 + 離子濃度分佈均勻，經生長過一次、直徑為 250µm 之晶體光纖其 Nd 3 + 離子濃度出現中心高、外圍低的漸進式分佈，而再經多次生長後 Nd 3 + 離子濃度分佈又趨於平坦。. 36.

(46) 生長次數不同造成 Nd 濃度分佈不同 Nd ion concentration (atm.%). 1.8 500um Source rod. 1.6 1.4. 250um 4:1 1mm/min. 1.2 85um 9:1 3.75mm/min. 1. 36um 4:1 2mm/min. 0.8 0.6 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Percent diameter (%). 圖 3-5 經不同次數生長後晶體光纖 Nd 3 + 離子之濃度分佈圖. 除了生長次數不同會影響 Nd 3 + 離子濃度分佈，生長速度快慢亦會對 Nd 3 + 離子濃度分佈造成影響。若生長前為濃度分佈均勻的原始晶棒，不同的生長速度會造成不同的濃度梯度. (concentration gradient)[23] 。圖 3-6 是邊長為 480µm 的原始方棒以相同的縮徑比 6:1 在 0.25mm/min 到 1.5mm/min 的生長速度下長成直徑 220µm 晶體光纖之 Nd 3 + 離子濃度分佈，從圖中可知當生長速度為. 0.25mm/min 時，整體平均濃度下降至 0.7atm%，隨著生長速度增加，平均及峰值濃度亦跟著增加，當生長速度達到. 1.25mm/min 時形成最大的濃度梯度。倘若繼續增加生長速度，則峰值濃度開始往回掉，由此可知對一次生長的晶體光纖而言，必須在某種特定的生長速度下才能形成最佳的濃度梯度，並非生長速度越快，濃度梯度就一定越高。 37.

(47) 生長速度不同造成 Nd 濃度分佈不同 2.5. 1.25mm/min. Nd ion concentration (atm.%). 2.3 2.1. 1.5mm/min. 1.9. 0.75mm/min. 1.7 1.5. 0.5mm/min. 1.3 1.1. 0.25mm/min. 0.9 0.7 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Percent diameter (%). 圖 3-6. 在不同速度抽拉晶體光纖下，造成不同的濃度梯度. 至於對前述之晶體光纖，為何 Nd 離子濃度會趨向聚集在晶纖中心的部分，形成濃度梯度的現象 ? 目前定性的解釋是在非平衡態的長晶過程中，擴散動力機制決定了巨觀行為下的平衡動向，而表面張力決定微觀的動力行為 [32] ，兩者非線性效應結合使得固液界面呈現一個開口朝上的拋物面而非平面，這使得大多數的 Nd 離子趨向留在 [1 1 1] 生長晶軸中心部分，而周圍 Nd 濃度沿徑向遞減。另外生長速度在 1.25mm/min 之前，濃度梯度為何會隨著生長速度增加而成長，而生長速度達 1.5mm/min 後反而下降？原因可能是除了前述兩種動力機制之外，在生長速度不同下必須再考慮熔區界面動力的效應。不過由於長晶的非線性動力學本身就是複雜且尚待發展的領域，晶體光纖完整的動力理論分析尚待補強。 38.

(48) 由殘存熱應力(residual thermal stress)所引起的晶體破裂. 生長速度快雖然可以造成高濃度梯度，但在高速生長下的晶纖卻可能因承受過大的熱應力而使得晶體的中心部分產生破裂面，造成晶體品質劣化。圖 3-7 是以 2:1 速度比，1.5mm/min 生長速度所長成的 365µm 晶體光纖，中心部分有夾角各約 120 0 的破裂軌跡，經由與柴氏生長法比較，亦有類似結果。. 圖 3-7 以 2000 倍電子顯微鏡觀察直徑 365µm 晶纖中心點破裂情形. 圖 3-8 以 2000 倍電子顯微鏡觀察直徑 125µm 晶纖中心點破裂情形. 若再將上述 365µm 晶纖以相同的速度比 8.6:1 ，但不同的生長速度分別為 1mm/min 、 3mm/min ，及 3.75mm/min 生長速度抽成 125µm 的晶體光纖，以 3.75mm/min 再次抽拉的. 39.

(49) 晶體光纖中心部分亦有類似的破裂軌跡。改進前述問題的方法，除了降低晶體生長速度之外，亦可藉著退火來減少晶體內部所殘存的熱應力，但對於以 1mm/min 及 3mm/min 二次成長的晶體光纖來說，兩者皆保持完美的端面，表示若降低晶體的生長速度，將可改善晶體之品質。. Nd ion concentration (atm.%). 2 1.5/1 mm/min. 1.8. 1.5/3 mm/min. 1.6. 1.5 mm/min. 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Percent diameter(%) 圖 3-9. 二次生長與一次生長 Nd:YAG 晶體光纖濃度比較圖. 若拿以 17.2:1 的速度比，生長速度各為 1.5 及 2mm/min，由方棒直接一次成長得到之 125µm Nd:YAG 晶體光纖和前述二次生長所得晶纖做比較。可得知將晶纖分成兩次成長，不僅可形成較高濃度梯度，並且適度修正端面破裂問題，改進晶纖品質。. 40.

(50) Nd ion concentration(atm.%). 3.4 高濃度梯度晶體光纖 3.5. 60. 3. 50. 2.5. 40. 2. 30. 1.5. 20. 1. 10. Nd Y2O3 Al2O3. 0.5. 0 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90 100. Percent diameter(%). 圖 3-10. 最高濃度梯度的 Nd:YAG 晶體光纖濃度圖形. 目前本實驗室所生長 Nd 3 + 濃度梯度最高的晶體光纖，峰值濃度達. 3.6atm%，它是由邊長為 480µm 的原始方棒，經過 2:1 的速度比， 1.5mm/min 的生長速度先抽拉到 365µm ，再用 8.6:1 的速度比，3.75mm/min 的生長速度二次生長至約 125µm。若一次生長時條件相同，但二次生長時以較慢速度 3mm/min 或. 1mm/min 抽拉而成的晶纖，峰值濃度約在 2atm% 左右。. 將本晶纖做初步的理論分析，首先假設濃度梯度與折射率變化成線性關係，因此定義出 R 值 R≡. ∆n/n 0 ∆C/C 0. (3-1). 其中 n 0 為最大折射率，∆n 為晶纖中心與外圍最大折射率差，. C 0 為峰值濃度，而 ∆C 為晶纖中心與外圍濃度差。將同樣原始邊長 480µm 的方棒經 4:1 縮徑比，0.75mm/min 生長速度抽成直徑 270µm，峰值濃度達 1.56atm.%的晶體光纖。將此晶纖做. OLCR 折射率的量測，經計算得知最大折射率差為介於 0.0026 到. 41.

(51) 0.0064 。因此對於 Nd 摻雜在 YAG 晶體光纖中，可定義 R 值為 0.005+/-0.002。把上述高濃度梯度晶體光纖之濃度與折射率參數代入式(3-1)中，即得知高濃度梯度晶體光纖折射率差理論值為介於 0.0042 到 0.011 之間。若將晶體光纖視為一漸進式折射率變化之單模光纖，則其折射率分佈可以寫成下式：. n2(r)=n02[1-2Δn(r/ag) ]，其中 ag 為 30µm，而α為 0.6，如圖 3-11 所示。 α. Nd i on c onc e nt ra t i on (a t m. % ). 4. 0 3. 5. 單模光纖折射率分佈. 3. 0 2. 5 2. 0. Nd 濃度. 1. 5 1. 0 0. 5 0. 0 0. 25. 50. 75. 100. 125. Position ( µ m). Optical mode confinement (%). 圖 3-11 漸進式變化之單模光纖折射率分佈圖，可由濃度圖形估算 ag 約為 30µm 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0. 0. 001 0. 002 0. 003 0. 004 0. 005 0. 006 0. 007 ∆n. 圖 3-12. 折射率差值與光模態侷域之程度. 使用高斯的光場分佈於晶體光纖中，由圖 3-12 可知當折射率差值大於 0.003 時，光模態將被完整地侷域在 20µm 的纖心中。因此高濃度梯度 Nd:YAG 晶體光纖大於 0.0042 之折射率差值，將有能力把光侷限在 20µm 的纖心中，並且減少傳輸損耗。. 42.

(52) 第四章 Nd:YAG 晶體光纖雷射製作. 4.1 光學鍍膜為使光線於雷射晶體中往復來回行進，最終於 Nd:YAG 晶體光纖內部產生波長 1064nm 之激發輻射，需在外部架設雷射共振腔 (cavity)。然而，由於雷射增益介質之 Nd:YAG 晶體光纖，其光發散角相當大，因而不易以腔外耦合鏡形成共振腔，故在 Nd:YAG 晶體光纖兩端鍍上高反射率光學薄膜. (high-reflective coating ， HR coating) 形成共振腔，使激發輻射僅在 Nd:YAG 晶體光纖內振盪，不致在空氣中偏折、發散造成過大的損耗。且晶體光纖的入射端鍍上光學薄膜後，可增加 Nd:YAG 晶體光纖對激發光源的穿透率，提高耦合效率。. 100 90 80. 反射率(%). 70 60 50 40 30 20 10 0 700. 800. 900. 1000. 1100. 1200. 1300. 波長(nm). 圖 4-1. Nd:YAG 晶體光纖輸出端鍍膜後反射率與波長之關係圖. 43.

(53) 本膜厚的設計參數與以往最大不同點是輸出端面在波長 800~900nm 亦鍍上反射率達 90% 的高反射膜，以增加晶體光纖對幫浦光的吸收率。此外晶體光纖的輸出端面對. 1064nm 的穿透率為 15% 。表 4-1 為膜厚的設計參數。. 表 4-1. Nd:YAG 之入射端面光學薄膜設計參數. 參考波長 960nm. 折射率. 光學厚度(λ). 層數. Nd:YAG. 1.8207. 1. TIO2. 2.1136. 0.278. 2. SIO2. 1.45. 0.253. 3. TIO2. 2.1136. 0.371. 4. SIO2. 1.45. 0.25. 5. TIO2. 2.1136. 0.25. 6. SIO2. 1.45. 0.25. 7. TIO2. 2.1136. 0.25. 8. SIO2. 1.45. 0.25. 9. TIO2. 2.1136. 0.25. 10. SIO2. 1.45. 0.225. 11. TIO2. 2.1136. 0.225. 12. SIO2. 1.45. 0.1875. 13. TIO2. 2.1136. 0.1875. 14. SIO2. 1.45. 0.1875. 15. TIO2. 2.1136. 0.201. 16. SIO2. 1.45. 0.361. 17. TIO2. 2.1136. 0.036. －. Air. 1. －. 44.

(54) 4.2 雷射輸出. Nd:YAG 的吸收頻寬約 1 nm ，應使用頻寬寬度極窄之光源作為激發光源，於是本論文使用由 Spectra Physics 公司出品的 Tsunami 3950-X3BB 之 Ti:sapphire 雷射，其輸出波長可由 700nm 延伸至 1000nm 。因此可針對 Nd:YAG 在 808nm 及. 885nm 兩種不同波長下幫浦以得到最佳的雷射輸出效率。. 晶體光纖體積小，橫截面小，因此需使用一集光力強之聚焦透鏡，本論文嘗試不同焦距之凸透鏡並與以 fiber-pigtail. LD 經 0.23pitch grin lens 聚焦的雷射輸出結果相比。若適當地調整凸透鏡與晶體光纖的距離，能改變激發光源光束大小及焦點位置，以達到與雷射共振腔模態匹配的目的，提升光對光的轉換效率。. 根據理論聚焦鏡對晶體光纖最佳的聚焦情形，應發生在凸透鏡焦距焦點恰好落在晶體光纖入射端面上 ; 同時 spot. radius 應與晶纖模態場形相近。若聚焦的尺寸太大，部分的能量將沿著晶纖外圍打轉而損失 ; 若聚焦的尺寸太小，將使得聚焦光有極大的發散角，同樣會使得光容易散掉，而無法吸收足夠的增益。. 45.

(55) 圖 4-2 為本論文之雷射架構圖。使用以 LHPG 法生長出之 Nd:YAG 晶體光纖，表 4-2 為晶體光纖之生長參數，經清潔、包覆後，以表 2-6 之程序進行研磨，以表 2-7 之程序進行拋光，製成雷射增益介質的元件，再分別於輸入端及輸出端鍍上對 1064nm 波長高反射率光學薄膜，以形成雷射共振腔。表 4-3 為輸入耦合 (input coupler) 及輸出耦合 (output. coupler) 之鍍膜製程參數。Ti:sapphire 激發光源先經兩平面鏡將光導出，並由凸透鏡聚焦於晶體光纖上，使 Nd:YAG 晶體吸收後在共振腔內產生波長 1064 nm 之激發輻射，由輸出端輸出，由於發散角很大因此以焦距 25.4 mm 之透鏡將之收集，並以矽濾片將激發光源濾除，最後使用積分球量測輸出功率。. Ti: sapphire laser λ= 808.6nm 8W Green laser. Nd:YAG crystal fiber. filter. f=75mm. 圖 4-2. 25.4mm. Power meter. Nd:YAG 晶體光纖雷射架構圖. 46.

(56) 表 4-2. Nd:YAG 晶體光纖之生長參數表編號. 1,2. 速度比. 6:1. 生長速度 (mm/min). 1. 直徑 (µm). 220. 表 4-3 編號輸入耦合. 輸出耦合. 光學鍍膜參數表. 1. 2. 808nm AR. 808nm AR. 1064nm HR. 1064nm HR. 808nm AR. 808nm AR. T=2.4%@1064nm. T=4%@1064nm. 以長 4mm ，輸出耦合穿透率 2.4% ，編號 1 的元件製成雷射，以 f=75mm 的凸透鏡聚焦在 488mW 的激發功率下，得到 21.37mW 的 1064nm 雷射輸出，其激發功率閥值為. 140mW，斜率效率為 5.92%。雷射吸收功率與輸出功率之 L-I 曲線如圖 4-3 所示。以長 3.5mm ，輸出耦合 T=4% ，編號 2 的元件製成雷射，以 f=100mm 的凸透鏡聚焦在 475.8mW 的激發功率下，得到 20.34mW 的雷射輸出，其激發功率閥值為. 150mW，斜率效率為 5.73%。雷射吸收功率與輸出功率之 L-I 曲線如圖 4-4 所示。. 47.

(57) 1064nm輸出功率(mW). 25. 20. f=75mm f=100mm LD pump. 15. 10. 5. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 雷射入射功率(mW). 圖 4-3 以 Ti:sapphire 雷射激發 Nd:YAG 晶體光纖(T=2.4%)之 L-I 曲線. 1064nm輸出功率(mW). 20. f=100mm f=150mm. 15. f=200mm LD pump. 10. 5. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 雷射入射功率(mW). 圖 4-4 以 Ti:sapphire 雷射激發 Nd:YAG 晶體光纖(T=4%)之 L-I 曲線 48. 600.

(58) 由以上結果可知，在聚焦透鏡焦距為 75 或 100mm 情形下以 Ti:sapphire 雷射激發 Nd:YAG 晶纖雷射，可獲得比 fiber. pig-tailed laser 更高的斜率效率。原因在於 Ti:sapphire 雷射具波長可調、發散角小且輸出模態佳等優點，因此比 fiber. pig-tailed laser 更易與晶體光纖耦合。晶體光纖的激發功率閥值相當高，顯示此雷射系統存在很大的共振腔損耗，此損耗主要來自傳輸損耗，因此降低傳輸損耗乃為一重要課題。. 本實驗室藉著生長次數及速度的不同，特開發晶體光纖，提升晶體光纖中心部分的濃度，希望藉著 Nd 濃度不同改變晶體光纖的折射率，因而改善晶體光纖的導光效果，最後增進晶體光纖雷射的斜率效率。. 49.

(59) 第五章結論本論文利用 LHPG 法已生長出 23~285µm 之高品質. Nd:YAG 晶體光纖，其長度最長可達 20cm。以電子微探儀對其橫截面量測 Nd 3 + 離子之濃度分佈，發現在適當的生長參數下， Nd 3 + 離子之濃度呈內高外低的漸進式分佈，因而判斷. Nd:YAG 晶體光纖具有一內高外低之漸進式折射率分佈，並經由折射率量測的實驗對折射率的差值做大略的估計，對於由 480x480um 方棒經 4:1 速度比及 0.75mm/min 生長速度可生長出直徑 250µm 峰值濃度 1.6atm% 的晶體光纖，而若將晶體光纖經 2/8.6:1 速度比及 1.5/3.75mm/min 生長速度抽至. 125µm 的晶體光纖，峰值濃度可達 3.6atm% 。峰值與周圍折射率差值從 0.0026~0.0064 增加到 0.0042~0.011，而此折射率分佈對於光傳輸可產生集光效果，降低雷射系統於晶體光纖內部的傳輸損耗。. 對雷射輸出效能做分析，顯示此雷射系統存在相當大之共振腔損耗，而此損耗主要來自於傳輸損耗，致使激發功率閥值較高，限制輸出功率與斜率效率的提升，針對此點提出以下之改善對策：. 1. 晶體生長部份在晶體生長過程中，尚未對晶體之直徑變動做量測與回授控制，因而在製作雷射增益介質時，可能存在因直徑變動而產生的散射損耗，而增加傳輸損耗。因此，可利用 CCD 進行熔區形狀與大小之量測及監控，以提高晶體光纖之品質。此外，對於二氧化碳雷射的輸出功率也應該加以監控， 50.

(60) 以降低因熔區大小變動造成之晶體光纖直徑變動。. 2. 晶體光纖包覆部份由於 Nd:YAG 晶體光纖與 Pyrex 玻璃熱膨脹係數之差異大，在以火燄熔燒包覆過程中，可能因此而產生裂痕或缺陷，增加散射損耗。此外，包覆層材料與 Nd:YAG 晶體光纖的折射率差異值越小則波導效果越好 [10] ，然而 Pyrex 玻璃與 Nd:YAG 之折射率差異大，較不適於做為 Nd:YAG 晶體光纖的包覆層材料，應尋求更適合的包覆層材料，如在晶體光纖表面鍍上介電薄膜形成纖殼 [10],[33] ，或在晶體光纖內部摻雜形成纖心 [11] 。. 3. 散熱部份由於做為包覆材料的 Pyrex 玻璃之熱傳導效果不良，使得 Nd:YAG 在高激發功率下內部的熱量不易移除，導致產生熱應力及熱透鏡 (thermal lensing) 等熱效應，而降低雷射輸出品質與效率。因此，應使用高熱傳導係數之材料做為散熱材料或包覆層材料。. 晶體光纖雷射技術已屆成熟，固態雷射技術因此向前跨了一步，若以 LHPG 方法生長的晶體光纖做為倍頻技術的倍頻晶體，則可以增加可應用的雷射波長，進而可製作紅、綠、藍全彩雷射顯示系統。亦可與 Q- 開關技術結合，製作飽和吸收體以增加雷射峰值功率，或將此技術應用於光纖通信方面，可製作寬頻光源或光放大器。綜合以上幾點，晶體光纖技術極具有發展潛力與價值。. 51.

(61) 參考資料. [1] R. L. Byer, “Diode Laser-Pumped Solid-State Laser,” Science, vol. 239, pp. 742-747, February 1988. [2] 霍玉晶，黃哲林，段玉生，周炳琨，“LD 泵浦的整體式 CW Nd:YAG 單晶光纖激光器”，中國激光，第 17 卷，第 12 期，1990 年。 [3] J. L. Nightingale and R. L. Byer, “Monolithic Nd:YAG Fiber Laser,” Opt. Lett., vol. 11, no. 7, pp. 437-439, July 1986. [4] M. M. Fejer, J. L. Nightingale, G. A. Magel and R. L. Byer, “Laser-Heated Miniature Pedestal Growth Apparatus for Single-Crystal Fibers,” Rev. Sci. Instrum., vol. 55, no. 11, pp. 1791-1796, November 1984. [5] D. B. Gasson and B. Cockayne, “Oxide Crystal Growth using Gas Lasers,” J. of Materials Sci., vol. 5, pp. 100-104, 1970. [6] J. Stone and C.A. Burrus, “Self-Contained LED-Pumped Single-Crystal Nd:YAG Fiber Laser,” Fiber Integrated Opt., vol. 2, no. 1, pp. 19-46, 1979. [7] J. Stone and C. A. Burrus, “Neodymium-Doped Fiber Lasers: Room Temperature CW Operation with an Injection Laser Pump,” Appl. Opt., vol. 13, no. 6, pp. 1256-1258, June 1974. [8] M. M. Fejer, G. A. Magel and R. L. Byer, “High-Speed High-Resolution Fiber Diameter Variation Measurement System,” Appl. Opt., vol. 24, pp. 2362-2368, 1985. [9] S. Sudo, A. Cordova-Plaza, R. L. Byer and H. J. Shaw, “MgO:LiNbO3 Single-Crystal Fiber with Magnesium-Ion In-Diffused Cladding,” Opt. Lett., vol. 12, pp. 938-940, 1987. [10] M. J. F. Digonnet, C. J. Gaeta, D. O’Meara and H. J. Shaw, “Clad Nd:YAG Fibers for Laser Applications,” J. of Lightwave Tech., vol. LT-5, no. 5, pp. 642-646, May 1987. [11] 闕文修，姚熹，霍玉晶，“LD 泵浦的 Nd:MgO:LiNbO3 單晶光纖腔外倍頻激光器”，中國激光，第 22 卷，第 8 期，1995 年。 [12] S.M. Vatnik, “Gain and laser operation of 1.1% Nd:YAG crystal fibers,” Opt. Commun.197, pp.375-378, 2001. [13] A. Brenier, G. Foulon, M. Ferriol and G. Boulon, “The Laser-Heated-Pedestal Growth of LiNbO3:MgO Crystal Fibers with Ferroelectric Domain Inversion by In Situ Electric Field Poling,” J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 30, pp. 37-39, 1997. [14] C. A. Burrus and J. Stone, “Single-Crystal Fiber Optical Devices: A Nd:YAG. 52.