摻釹釔鋁石榴石晶體光纖雷射之研製
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(2) 中文摘要. 近 年 來 光 電 技 術 發 展 迅 速，因 而 帶 動 半 導 體 雷 射 激 發 固 態 雷 射 的 發 展。半 導 體 雷 射 激 發 固 態 雷 射 可 結 合 半 導 體 雷 射 體 積 輕巧，高效能及低價格的特性，以及固態雷射高品質輸出模態 的優點，此 外 尚 具 有 轉 換 效 率 高 、 壽 命 長 、 結 構 簡 單 、 體 積 小 諸優點，因此其潛力不容忽視。. 散熱問題乃高功率固態雷射之首要問題，本論文採用小尺 寸 之 晶 體 光 纖 做 為 雷 射 增 益 介 質 ，以 縮 小 固 態 雷 射 之 整 體 體 積，並 提 高 散 熱 效 率。 而 生 長 晶 體 光 纖 的 方 法 有 許 多 種，其中， LHPG 方 法 不 但 可 輕 易 生 長 出 直 徑 極 小 之 單 晶 ， 且 生 長 速 度 快、耗能低、控制容易，既 經 濟 又 迅 速，且 無 坩 堝 污 染 之 問 題 。 利 用 此 方 法 我 們 已 生 長 出23~285 µ m之 高 品 質 Nd:YAG晶 體 光 纖 ， 再 選 擇 適 當 的 材 質 進 行 包 覆 以 降 低 傳 輸 損 耗， 並 加 以 研 磨 、 拋 光 、 鍍 膜 即 可 用 以 製 作 Nd:YAG晶 體 光 纖 雷 射 。. 本 論 文 已 成 功 研 製 出 半 導 體 雷 射 激 發 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 ， 其 雷 射 幫 浦 閥 值 為143 mW ， 輸 出 功 率 為 38 mW 。 未 來 將 朝 改 進 晶 體 光 纖 的 散 熱 方 式、晶體光纖包覆的製作及晶體光 纖表面之光學鍍膜，以提升轉換效率及輸出功率。. i.
(3) 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. In addition, the diode-pumped solid-state lasers have made it a feature star among lasers.. One of the problems in solid-state laser is the heat removal. The crystal fiber is used as the laser gain medium in this work to be able to reduce largely the volume of solid-state laser, and improve the heat disappearance. There are many different methods to grow crystal fibers, LHPG method one of the best because single crystal fibers can be grown with small diameters at very fast rate, and accurate control. We have gown high quality Nd:YAG crystal fiber with diameter of 23~285 µm. After cladding, grinding, polishing, and coating, we could ready to fabricate the Nd:YAG crystal fiber laser.. We have successfully implemented diode-laser pumped Nd:YAG crystal fiber laser. The lasing threshold power is 143 mW, and the maximum output power is 38 mW. In the feature, we shall improve the cooling system, the cladding, and coating to further increase the conversation efficiency and output power.. ii.
(4) 目錄. 中文摘要. i. 英文摘要. ii. 目錄. iii. 圖目錄. iv. 表目錄. vii. 第一章 緒論. 1. 第 二 章 Nd:YAG 晶 體 特 性. 5. 2-1 基 本 特 性. 5. 2-2 能 階 模 型. 10. 2-3 構 成 波 導 傳 輸 之 條 件. 16. 2-4 腔 內 損 耗 與 傳 輸 吸 收 係 數 之 計 算. 18. 第三章 晶體生長. 20. 3-1 生 長 方 法. 20. 3-2 長 晶 裝 置 架 構. 24. 3-3 特 性 量 測 與 分 析. 29. 第 四 章 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 製 作 與 分 析. 38. 4-1 前 處 理. 38. 4-2 研 磨 及 拋 光. 40. 4-3 光 學 量 測. 51. 4-4 光 學 鍍 膜. 56. 4-5 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 製 作. 57. 第五章 結論. 68. 參考文獻. 71. 中英對照表. 73. iii.
(5) 圖目錄. 第二章 圖 2-1. 氧化釔與氧化鋁之二成份相圖. 圖 2-2. Nd:YAG 在 溫 度 300K 之 吸 收 頻 譜. 10. 圖 2-3. Nd:YAG 能 階 圖. 11. 圖 2-4. Nd:YAG 四 能 階 雷 射 系 統 示 意 圖. 12. 圖 2-5. Nd:YAG 準 三 能 階 雷 射 系 統 示 意 圖. 13. 圖 2-6. 重複吸收損耗示意圖. 14. 圖 2-7. 高斯光束特性示意圖. 16. 圖 2-8. 激發光束與激發幅射示意圖. 18. 圖 3-1. 各種生長晶體的方法. 21. 圖 3-2. LHPG 架構. 24. 圖 3-3. LHPG 方法之生長腔示意圖. 26. 圖 3-4. Nd:YAG 晶 體 光 纖 生 長 過 程. 27. 圖 3-5. Nd:YAG 原 始 晶 棒 與 LHPG 法 生 長 之 晶 體 光 纖 28. 圖 3-6. 直 徑 200 µ m 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 放 大 圖. 28. 圖 3-7. 不 同 晶 向 之 YAG 單 位 晶 胞 結 構 模 型. 30. 圖 3-8. YAG 粉 末 之 XRD 圖. 30. 圖 3-9. [111]YAG 之 繞 射 圖. 31. 7. 第三章. 圖 3-10 不 同 直 徑 大 小 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 XRD 分 32 析結果 圖 3-11 不 同 直 徑 大 小 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 XRD 分 34 析結果局部放大. iv.
(6) 圖 3-12 不同直徑的 Nd:YAG 晶體光纖之 Nd3+離子濃度分佈 35 量測結果 圖 3-13 不 同 生 長 速 度 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 Nd 3+ 離 37 子濃度分佈量測結果 第四章 圖 4-1. Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 增 益 介 質 製 作 流 程. 圖 4-2. 直 徑 200 µ m 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 經 碳化 矽 43. 38. #2000 砂 紙 研 磨 後 的 照 片 圖 4-3. YAG 在 <111>方 向 之 晶 個 格 結 構 圖. 圖 4-4. Pyrex 玻 璃 包 覆 Nd:YAG 晶 體 光 纖 拋 光 面 表 面 44. 43. 量測 圖 4-5. Pyrex 玻 璃 包 覆 Nd:YAG 晶 體 光 纖 拋 光 面 放 大 44 圖. 圖 4-6. Nd:YAG 晶 體 光 纖經 表 4-3 程 序 拋 光 之 拋 光 面 46 表面量測. 圖 4-7. Nd:YAG 晶 體 光 纖經 表 4-4 程 序 拋 光 之 拋 光 面 47 表面量測. 圖 4-8. Nd:YAG 晶 體 光 纖經 表 4-4 程 序 拋 光 之 拋 光 面 48 粗糙度量測. 圖 4-9. Nd:YAG 晶 體 光 纖 經 表 4-5 程 序 拋 光 之 拋 光 面 49 放大圖. 圖 4-10 Nd:YAG 晶 體 光 纖 經 表 4-5 程 序 拋 光 之 拋 光 面 50 表面量測 圖 4-11 Nd:YAG 晶 體 光 纖 經 表 4-5 程 序 拋 光 之 拋 光 面 50 粗糙度量測 圖 4-12 Nd:YAG 晶 體 光 纖 傳 輸 橫 模 量 測 架 構. v. 51.
(7) 圖 4-13 Nd:YAG 晶 體 光 纖 對 氦 -氖 雷 射 之 輸 出 圖 形. 52. 圖 4-14 Nd:YAG 晶 體 光 纖 吸 收 率 量 測 架 構. 53. 圖 4-15 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 吸 收 率. 55. 圖 4-16 Nd:YAG 晶 體 光 纖 表 面 鍍 膜 之 反 射 率 與 波 長 56 關係 圖 4-17 自 聚 焦 透 鏡 的 聚 光 示 意 圖. 59. 圖 4-18 0.23 pitch 自 聚 焦 透 鏡 之 像 距 、 光 腰 大 小 與 物 60 距之關係 圖 4-19 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 架 構 圖. 61. 圖 4-20 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 架 構 圖. 63. 圖 4-21 Nd:YAG 晶 體 光 纖 表 面 鍍 膜 #1 之 反 射 率 與 波 64 長關係 圖 4-22 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 #1 之 斜 率 效 率. 64. 圖 4-23 Nd:YAG 晶 體 光 纖 表 面 鍍 膜 #2 之 反 射 率 與 波 65 長關係 圖 4-24 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 #2 之 斜 率 效 率. vi. 65.
(8) 表目錄. 第二章 表 2-1. Nd:YAG 之 物 理 特 性. 8. 表 2-2. Nd:YAG 之 熱 特 性. 9. 表 2-3. Nd:YAG 之 光 學 特 性. 9. 表 2-4. Nd:YAG 的 主 要 輻 射 頻 帶 的 效 率. 11. 表 2-5. Nd:YAG 四 能 階 與 準 三 能 階 雷 射 系 統 之 比 較. 15. 表 3-1. YAG 晶 體 結 構 參 數 與 原 子 位 置. 29. 表 3-2. YAG 之 各 項 特 性 參 數. 33. 表 4-1. Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 研 磨 程 序. 42. 表 4-2. 砂紙編號與顆粒大小對照表. 42. 表 4-3. Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 拋 光 程 序 #1. 45. 表 4-4. Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 拋 光 程 序 #2. 47. 表 4-5. Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 拋 光 程 序 #3. 49. 表 4-6. Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 吸 收 率 與 Pyrex 玻 璃 之 吸 54. 第三章. 第四章. 收損耗量測 表 4-7. 用 於 830nm 波 長 範 圍 之 自 聚 焦 透 鏡 參 數. 58. 表 4-8. 各種反射鏡組合之共振腔. 62. 表 4-9. Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 之 比 較. 66. 表 4-10 Nd:YAG 與 Pyrex 玻 璃 之 各 項 物 理 性 質 之 差 異 67. vii.
(9) 第一章. 緒論. 近年來光電科技蓬勃發展，半導體雷射技術也越來越成 熟 ， 同 時 帶 動 半 導 體 雷 射 激 發 固 態 雷 射 (diode-laser pumped solid state laser， 簡 稱 為 DPSSL) 之 發 展 。 半 導 體 雷 射 是 一 體 積小且效率高的同調光源，其譜線寬度較閃光燈或電弧光源 窄，若其中心波長恰位於固態雷射晶體之吸收譜線內，則可 以有效地激發固態雷射晶體，並且降低熱效應與熱損害。傳 統 固 態 雷 射 系 統 以 閃 光 燈 為 激 發 光 源 ， 不 僅其 效 率 低 、 耗 能 高， 且伴隨而起的大量熱能降低了雷射效能，也限制了固態 雷 射 的 應 用 。 然 而 半 導 體 雷 射 熱 效 應 低、 所 需 電 量 小、 壽 命 亦 較 其 他 光 源 長 。 因 此 ， 其 效 能 較 閃 光 燈 光 源 高 。DPSSL 乃 以半導體雷射激發固態雷射，可結合半導體雷射體積輕巧， 高 效 能 及 低 價 格 的 特 性 ， 以 及 固 態 雷 射 高 品質 的 輸 出 模 態 優 點 [1]-[3]。. 固態雷射晶體多為絕緣材料，其導熱性較金屬材料差， 故目前固態雷射仍然受限於價格與散熱問題而成長略為緩 慢 。 尤 其 10 瓦 以 上 的 固 態 雷 射 ， 若 使 用 橫 向 激 發 ， 則 熱 的 問 題特別嚴重，影響雷射輸出橫模與效率。為了有效地散熱， 整個系統體積往往相當龐大。同時，一般固態雷射晶體生長 極為耗時，一塊數公分長的固態雷射晶體往往耗時數週至數 月的時間，因此固態雷射的成本至今都居高不下。. 1.
(10) 固 態 雷 射 系 統 所 使 用 晶 體 之 截 面 積 大 約 為 10 mm2 ，但是 晶 體 受 激 發 面 積 卻 僅 有 數 百 平 方 微 米(µ m 2 )。 因 此 ， 若 能 將 單 晶 抽 細 製 成 直 徑 100 µ m 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 合 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 ， 故損耗低，可提高雷射效率。. 晶體光纖的生長方法有高溫溶液法、熔融法、與氣態凝 結 法 。 其 中 ， 熔 融 法 中 又 以 雷 射 加 熱 提 拉 法 (laser -heated pedestal growth method， 簡 稱 為 LHPG)因 為 易 於 控 制 晶 體 的 晶向與直徑而廣泛被使用。同時，此 法 無 材 料 選 擇 性 之 限 制 ， 可適用於各種晶體的生長；又生長時不需容器盛載晶體，故 無 污 染 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]。 此 外 ， 材 料 熔 區 之 熱 輻 射 特 性 可 用 於 量 測 晶 體 光 纖 生長過程時溫度分佈及界面形狀 ，以此做 為回授控制之依 據， 有助於控制並降低晶體光纖之直徑變化率。同時可藉由 熔區溫度分佈與界面形狀了解晶體生長時之生長機制，如晶 體生長時是否產生稜角、缺陷，以及熱應力產生破裂之極限 溫度梯度等。. 2.
(11) 在 1974 年 ， 貝 爾 實 驗 室 首 度 利 用 LHPG 方 法 生 長 摻 釹 釔 鋁 石 榴 石 (Neodymium doped yttrium aluminum garnet，簡稱為 Nd:YAG)晶 體 光 纖 並 製 成 雷 射 。 他 們 利 用 發 光 二 極 體 (light emitting diode， 簡 稱 為 LED)作 為 激 發 光 源 ， 以 直 徑 50~80 µ m， 長 度 5 mm 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 作 為 增 益 介 質 ， 得 到 波 長 1064 nm， 0.5~1.0 mW 的 雷 射 輸 出 [7]。1980 年 代，Stanford 大學的材料研究中心更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] 。 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 µ W， 波 長 532 nm 的 連 續 綠 光 輸 出 [10]。. 由於晶體光纖雷射具有節省雷射材料、低成本、輕巧與 高效率等優點，是未來高功率固態雷射的重要發展方向之 一 。 其 應 用 範 圍 亦 相 當 廣 泛 ，除 了 DPSSL 應 用 外 亦 可 應 用 於 光纖通信。晶體光纖可有效地與傳輸光纖耦合，降低損耗。 同時，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單橫模高品質輸出的特性，且 其發散角小，光耦合效率高，並可結合和頻與差頻技術增加 可 使 用 之 波 長 範 圍。或 可 利 用 C r4+ :YAG 晶 體 特 有 的 寬 廣 螢 光 譜線，製作寬頻雷射光源以及寬頻光放大器。. 另外，晶體光纖可結合 Q 開 關 (Q -switch)技 術 提 高 雷 射 峰. 3.
(12) 值功率；或與和頻或差頻技術結合， 增 加 可 應 用 之 頻 譜 範 圍 ， 甚至可製作紅、綠、藍全彩雷射顯示系統。若與週期換極 (periodic poling)技 術 結 合 ， 製 作 週 期 換 極 晶 體 ， 配 合 固 態 雷 射 晶 體 光 纖 利 用 準 相 位 匹 配 (quasi-phase matching) 進 行 腔 外 倍 頻 ， 如 此 不 僅 可 解 決 腔 內 倍 頻 技 術 所 衍 生 的 ”綠 光 問 題 ”， 同 時 也 可 以 有 效 減 少 耦 合 損 耗 [11]。. 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 作 為 雷 射 增 益 介 質 。 與 過 去 所 做 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 [12]-[13]的 不 同 處 ， 在 於 本 實 驗 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作為圓錐狀反射鏡的支 架，以得到均勻的環形光束。此外，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，因 而大大降低系統的震動發生。因此，此系統所生長的晶體光 纖 品 質 非 常 高 。 本 論 文 第 二 章 將 探 討 Nd:YAG 之 基 本 性 質 、 雷 射 能 階 與 模 型 。 第 三 章 將 對 LHPG 方 法 及 架 構 作 詳 細 的 介 紹，並對生長完成的晶體光纖做特性量測與探討。第四章為 元件製作流程之介紹，並對元件特性加以量測並探討之。. 4.
(13) 第二章 Nd:YAG 晶體特性. Nd:YAG 由 於 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 介 紹 Nd:YAG 之 基 本特性及能階，並對構成波導之條件加以研究，最後對雷射 輸出效率與共振腔內的損耗之關係加以探討。. 2-1 基本特性. 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)。 摻 雜 離 子 為 主 要 之 工 作 物 質 ， 提 供 雷 射 能 階 ， 產 生 不 同 之 雷 射 波 長 ； 而 基 材 則 提 供 適 當 之 陽離子 空 位 (cation-site)， 以 供 摻 雜 離 子 填 入 ， 同 時 影 響 雷 射 輸 出 功 率 與 極 化 特 性 。一 般 來 說 ， 選 擇摻 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 四 能 階 系 統 雷 射下 能 階 生 命 期(lower laser level) 較 三 能 階 系 統 短， 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越 5.
(14) 大 ， 則 基 材 原 子 排 列 變 形 越 大 ， 因 而 影 響 基 材 性 質 並影 響 雷 射輸出。 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 光 係 數 (thermal optic coefficient)小 :若 熱 光 係 數 大 ， 則 熱透鏡效應越強，而造成光束扭曲偏折，降低雷射的效率。. 熱 傳 導 率 (thermal conduc tivity) 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. 6.
(15) 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 摻入的離子濃度越高，如 此內部增益越高，雷射輸出功率也越高。. 綜合以上因素可知 ，晶體比一般非結晶材料適合做為雷 射 增 益 介 質 之 基 材 。常 見 的 雷 射 增 益 介 質 基 材 有 :玻 璃 、 單 成 份 氧 化 物 (simple oxide) 、 雙 成 份 氧 化 物(binary oxide) 、 氟 化 物 (fluorides)等。其中，雙成份氧化物中的釔鋁石榴石 (yttrium aluminum garnet， 簡 稱 為 YAG) 其 摩 氏 硬 度 (Mohs hardness) 高 達 8.5，是 個 堅 硬、 穩 定 的 晶 體 ， 因 此 常 做 為 雷 射 增 益 介 質 的 基 材。 此 外 ，它 不 僅 有 較 其 他 固 態 雷 射 晶 體 高 的 熱 傳 導 係 數 、 高 光 折 射 係 數 ， 且 其 損 壞 閥 值 (damage threshold)功 率 亦 高，適合做為高功率固態雷射之使用。. 溫度(℃). Liquid. Liquid+Y 2O 3 Liquid +aAl2O 3. Liquid +YAG. Y2O3 +YAM. aAl2 O3 +YAG. Y2O3 mol %. 圖 2-1 氧化釔與氧化鋁之二成份相圖. 7.
(16) YAG 是 由 氧 化 釔 與 氧 化 鋁 依 3:5 的 比 例 共 熔 ， 在 1970 ℃ 以 下 冷 凝 而 成。若 依 1:1 或 2:1 的 比 例，在 熔 融 態 混 合 後 冷 凝， 則 分 別 可 形 成 YAP (yttrium aluminum perovskite) 與 YAM (yttrium aluminum monoclinic) ， 其 相 圖 如 圖 2-1 所 示 。 表 2-1 至 表 2-3 所 列 為 YAG 之 基 本 特 性 ， 從 此 表 中 可 以 得知，YAG 是 屬 於 立 方 晶 格(cubic )， 且 為 各 向 同 性 (isotropic) 之 材 料 。 Nd 3+ 離 子 摻 雜 濃 度 一 般 約 在 0.9~1.1 % ，較 高 的 摻 雜 濃度雖然可以提高增益，卻將造成晶格變形、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 0.6~0.8 %的 摻 雜 ;而 在 Q 開 關 雷 射 (Q-switch) 應用上，需要較高的吸收，故使用大約 1.2 % 的摻雜。 表 2-1 Nd:YAG 之物理特性 晶體 中文名稱 英文名稱. Nd:YAG. (Nd3+:Y3Al5O12). 摻 釹釔鋁石榴石 Neodymium Doped Yttrium Aluminum Garnet. 晶體結構. Cubic. 晶格常數. 12.01 Å. 摻雜濃度. 0.9 % ∼ 1.1 %. 熔點. 1970 ℃. 密度. 4.56 g/cm3. 摩氏硬度. 8.5. 8.
(17) 表 2-2. Nd:YAG 之熱特性. 熱膨脹係數. [100], 0-250 ℃. 7.7x10-6 /K. [110], 0-250 ℃. 7.8x10-6 /K. [111], 0-250 ℃. 14 W/m-K @ 20 ℃. 熱傳導率. 10.5 W/m-K @ 100 ℃ 7.3x10-6 /K. 熱光係數. 表 2-3. 8.2x10-6 /K. Nd:YAG 之光學特性. 折射率. 1.82 @ 1.06 µm. 雷射中心波長. 946 nm, 1064 nm. 有效輻射截面 吸收係數 增益頻寬 幫浦中心波長 吸收頻寬 自發輻射生命期. 2.8x10-19 cm2 @ 1064 nm 2.8x10-20 cm2 @ 946 nm 10 cm-1 @ 807.5 nm, 1 % doping 0.6 nm 807.5 nm 1 nm @ 807.5 nm 230 µs 非極化輻射. 其他 熱雙折射性強. 9.
(18) 2-2 能階模型. 圖 2-2 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 0.59 µ m、0.75 µ m 、 0.81 µ m 及 0.89 µ m。以 0.81 或 0.89 µ m 為 幫 浦 的 波 長 ，可 得 到 較 高 的 量 子 轉 換 效 率 (quantum efficiency) ， 電 子 從 幫 浦 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 2-2 Nd:YAG 在溫度 300K 之吸收頻譜 [14]. 圖 2-3 為 Nd:YAG 的 能 階 圖，其 主 要 的 輻 射 頻 帶 效 率 如 表 2-4 所 示 。 於 眾 多 的 雷 射 輸 出 譜 線 ， 以 波 長 1.064 µ m 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 0.946 µ m 與 1.320 µ m 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， 則 可 以 得 到 雷 射顯示器所需求的紅、綠、藍三原色光源 ，因此此項技術極. 10.
(19) 具有未來發展前景。 吸收能帶. 4. F3/2. λ=1.32µm. λ=1.84µm. λ=1.06µm λ=0.95 µm. 4. I15/2. 4. I13/2. 4. I11/2. 4. I9/2. 圖 2-3 Nd:YAG 能階圖 表 2-4 Nd:YAG 的主要輻射頻帶的效率[15] 輻射譜線. 電子躍遷能帶. 自發輻射比例. 倍頻後波長. F3/2 → 4I11/2. 60 %. 綠光 - 532 nm. F3/2 → 4I9/2. 25 %. 藍光 - 473 nm. F3/2 → 4I13/2. 14 %. 紅光 - 660 nm. F3/2 → 4I15/2. <1%. 紅外光 - 920 nm. 1.06 µm. 4. 0.95 µm. 4. 1.32 µm. 4. 1.84 µm. 4. 11.
(20) 在 Nd:YAG 晶 體 中 ， 不 同 能 階 系 統 對 應 不 同 的 雷 射 波 長 。 對 波 長 1.064 µ m 的 雷 射 輸 出 而 言 Nd:YAG 雷 射 是 四 能 階 雷 射，但對 0.946 µ m 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 幫 浦 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遠低於四能階的雷射系統。. 圖 2-4 與 2-5 分 別 為 四 能 階 與 準 三 能 階 雷 射 系 統 的 示 意 圖 ， 波 長 1.064 µ m 與 0.946 µ m 的 雷 射 上 能 階 都 是 屬 於 4 F 3 / 2 4. 能階，但雷射下能階卻分別屬於. 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 (ground state) ， 因 此 在 室 溫 時 ， 分 佈 於 下 能 階 的 電 子 遠 少 於 基 態 的 電 子 ， 並 且 下 能 階 的 自 發 輻 射 生 命 期 (spontaneous emission lifetime) 很短，經激發輻射(stimulated emission) 躍 遷 之 的 電 子 只 短 暫 停 留 便 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. 11502 cm-1. N2. 幫浦波長 808nm. 雷射波長 1064nm. 2111 cm-1. N1? 0 基態能階. 圖 2-4 Nd:YAG 四能階雷射系統示意圖， 其 中 1cm-1 =30GHz. 12.
(21) 吸收能帶. 11414 cm-1. N2. 幫浦波長 808 nm. 雷射波長 946 nm N1. 基態能. ∆E. = N 0 e− kT 848 cm-1. 圖 2-5 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. 4. I9/2. 能 階 ， 兩 者 的 能 量 差 Δ E 約 等 於 0.105 eV， 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(-ΔE/kT). (2-1). 其中， N0 :基 態 之 電 子 分 佈 量 N1 :雷 射 下 能 階 之 電 子 分 佈 量 Δ E :雷 射 下 能 階 與 基 態 之 能 量 差 k. :波 茲 曼 常 數. T. :晶 體 溫 度. 從 式 (2-1)可 得 知， 當 Δ E 小 或 是 T 高 時 ， N1 的 分 佈 量 將. 13.
(22) 增 加 。 因 此 ， 當 946 nm 的 Nd:YAG 系 統 維 持 在 常 溫 下 ， 則 N1 /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， N1 /N0 的 比 例 將 提 高 至 11 %， 如 此 則 將 需 要 更 多 的 幫 浦 能 量 才 能 達 到 居 量 反 轉 分 佈(∆ N = N 2 – N1 )， 因 此 準 三能階雷射幫浦閥值一般都比四能階雷射高。 重複吸收損耗是另一項降低準三能階雷射系統效能的重 要因素。重複吸收損耗乃是雷射晶體重複吸收本身輻射的光 子 ， 造 成 共 振 腔 內 光 子 的 損 耗 。 根 據 式(2-1)， 準 三 能 階 系 統 雷 射 的 下 能 階 電 子 分 佈 量 N1 受 溫 度 影 響 甚 大 ， 因 此 當 雷 射 處 於 工 作 狀 態 時 ， 共 振 腔 內 0.946 µ m 光 子 碰 撞 處 於 下 能 階 的 電 子 時 ， 電 子 將 吸 收 0.946 µ m 光 子 而 躍 遷 至 雷 射 的 上 能 階 。 如 此將減少共振腔內震盪的光子數，並降低雷射系統的效率。 因此，當雷射的散熱系統不佳，或是幫浦功率升高的情況下， 雷 射 晶 體 溫 度 將 急 遽 升 高，重 複 吸 收 損 耗 的 問 題 將 更 形 嚴 重 。. 吸收能帶. 吸收能帶. N2. 1064 nm 光子. 946 nm 光子. N2. 重複吸收損耗 ∆E. N1 ? 0. N1. 四能階系統. 準三能階系統. 圖 2-6 重複吸收損耗示意圖. 14. = N 0 e− kT.
(23) 四 能 階 的 雷 射 系 統 則 沒 有 以 上 的 問 題 。 如 圖 2-6 所示，四 能 階 雷 射 系 統 的 N1 趨 近 於 零，沒 有 下 能 階 電 子 重 複 吸 收 1.064 µ m 光 子 的 問 題 ； 再 者 ， 基 態 能 階 雖 然 有 大 量 的 電 子 N0， 但 Nd:YAG 晶 體 因 缺 乏 適 當 的 能 階 使 電 子 吸 收 光 子 後 向 上 躍 遷，所以重複吸收損耗的問題並不存在。綜合以上所述可知， 四能階雷射系統的整體雷射效能較準三能階為高，故本論文 將 以 四 能 階 雷 射 系 統 進 行 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 之 製 作 ， 並 整 理 成 表 2-5 以 比 較 四 能 階 與 準 三 能 階 雷 射 系 統 的 差 異 。 表 2-5 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. 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. 增益 雷射上能階 N2 在常溫下佔 4F3/2 的 40% 在常溫下佔 4F3/2 的 60% 極小 雷射下能階 N1. 較大. 因自發輻射的生命期 因有基態能階受熱而躍 很短 遷的電子分佈量. 重複吸收損耗. 無. 有. 幫浦閥值. 低. 高. 15.
(24) 2-3 構成波導傳輸之條件. Z0. 2ω 0. 2 2ω0 圖 2-7 高斯光束特性示意圖. 一 高 斯 光 束 之 特 性 滿 足 下 列 各 式 [16]:. ω (z ) = 2. ω20 1 + . z2 z 20 . (2-2). z2 R = z1 + 02 z . (2-3). z η( z ) = tan −1 z0 . (2-4). πω20 n z0 ≡ λ. (2-5). 其中， ω (z) :在 位 置 z 之 光 束 半 徑 ω0. :光 腰 (beam waist)半 徑. R. :波 前 (wavefront)之 曲 率 半 徑. η. :相 位 飄 移 (phase shift). 16.
(25) z0. :瑞 立 範 圍 (Rayleigh range)之 一 半. 而光束要在一介質內以波導方式傳輸，其長度須大於 3 倍 瑞 立 範 圍 ， 即 6z0 。 若 晶 體 光 纖 長 度 恰 為 3 倍瑞立範圍，即 位 於 3 倍 瑞 立 範 圍 處 的 光 束 半 徑 恰 為 晶 體 光 纖 的 半 徑 r， 則. ω (3z 0 ) = r = 2. ω20 =. 2. ω20 1 + . (3z 0 ) 2 2 z 0 . r2 10. (2-6). (2-7). 將 式 (2-7)代 入 式 (2-5),則 z0 =. πr 2 n 10λ. (2-8). 由 式 (2-8)可 知 ， 要 令 波 長 1.064 µ m 之 激 發 輻 射 在 直 徑 為 200 µ m 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 內 達 到 波 導 的 效 果 ， 其 長 度 至 少 需 32.3 mm 以 上 。 然而，激發輻射的光束直徑並非等於晶體光纖之直徑， 而 是 決 定 於 晶 體 光 纖 內 部 增 益 分 佈 (gain profile)。增益分佈與 激發光源特性以及雷射增益介質的吸收有關，很難在實驗中 量測得到。但是其寬度必定小於晶體光纖之直徑，因此可利 用上述方法約略估算欲達到波導效果所需之長度。. 17.
(26) 2-4 腔內損耗與傳輸吸收係數之計算. 激發光束. 雷射晶體. 高反射率反射鏡. 激發光束光腰位置. 光軸. 激發輻 射輸出. 輸出透鏡. 圖 2-8 激 發 光 束 與 激 發 輻 射 示 意 圖. 雷 射 斜 率 效 率 η與 激 發 光 源 耦 合 效 率η c o u p 、 模 態 匹 配 (mode match)程 度 V p /V g 、 有 效 激 發 輻 射 機 率σ e f f /σ、 量 子 轉 換 效 率 hν s /hν p 、 耦 合 透 鏡 穿 透 率 T、 共 振 腔 損 耗 δ有 關 ， 因 此 可 寫 成 下式:. η = ηcoup ×. Vp Vg. ×. σ eff h νs T × × σ h νp δ. (2-9). 假設: (1)若 激 發 光 源 有 效 地 與 雷 射 增 益 介 質 耦 合 ， 則 ηcoup ≈1。 (2)激 發 光 束 於 雷 射 增 益 介 質 內 與 激 發 輻 射 橫 模 有 很 高 的 模 態 匹配； 也就是說，激發光束與激發輻射在空間中幾乎重 疊 ， 則 Vp / Vg ≈1。 (3)在 高 能 階 的 電 子 ， 均 以 光 子 的 方 式 釋 放 能 量 ， 而 無 聲 子 之 產 生 ， 則 σ eff /σ ≈1。. 18.
(27) (4)δ＜ 0.05。 否 則 ， 估 算 值 最 高 將 比 實 際 值 小 15%。. 若 以 上 假 設 成 立 ， 則 斜 率 效 率 可 寫 成 下 式 [17]-[18]:. η≈. h νs T × hν p δ. ∴δ ≈. (2-10). h νs T × hν p η. (2-11). 由 式 (2-11)可 利 用 斜 率 效 率 推 算 出 雷 射 共 振 腔 之 腔 內 損 耗。 而 在 晶 體 光 纖 內 的 傳 輸 損 耗 係 數α 與 η、T 以 及 雷 射 增 益 介 質 長 度 L 有 以 下 關 係 [19]: α=(δ-T)/2L ∴α =. (2-12). T hν s 1 × −1 2 L h νp η . (2-13). 因 此 ， 可 利 用 式 (2-13)由 斜 率 效 率 、 共 振 腔 穿 透 率 以 及 量 子轉換效率推算出晶體光纖內的傳輸損耗係數。. 19.
(28) 第三章 晶體生長. 本 章 將 介 紹 LHPG 晶 體 生 長 方 法 及 其 架 構，並利用 X 光 繞 射 儀 (X-ray diffractometer ， 簡 稱 XRD)及 電 子 微 探 儀(electron pro b e X-ray microanalyzer， 簡 稱 EPMA)對 以 此 方 法 生 長 出 來 的晶體做進一步的特性分析及探討。. 3-1 生長方法. 如 圖 3-1 所 示 ， 常 見 的 生 長 晶 體 的 方 法 有 Czochralski 法 、 Bridgman -Stockbarger 法 、 Verneuil 法 、 熔 區 法 、 高 溫 溶 液 法 等 ， 其 中 Czochralski 法 與 熔 區 法 為 近 來 較 多 人 討 論 與 使 用 。 但 由 於 Czochralski 法 有 耗 時 、 耗 能 以 及 容 器 污 染 的 缺 點 ， 且 無 法 生 長 直 徑 數 十 微 米 以 下 之 晶 體 。 LHPG 法 為 熔 區 法 的 一 種 ， LHPG 法 使 用 聚 焦 之 雷 射 做 為 熱 源 ， 可 生 長 出 直 徑 更 小 、 品 質 更 好 之 晶 體。且可觀測 晶 體 生 長 過 程 時 產 生 之 熱輻 射 及 界 面 形 狀，以作為 回 授 控 制 之 依 據， 方 便 於 熔 區 形 狀 與 晶 體 光 纖 直徑大小之控制。 LHPG 法 首 度 由 Burrus 與 Stone 用 以 生 長 紅 寶 石 (ruby)晶 體 [22]。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 (second -harmonic generation， 簡 稱 為 SHG)用 的 倍 頻 晶 體[23]， 光 儲 存 用 的 鈮 酸 鍶 鋇 (strontium barium niobate ， 簡 稱 為 SBN)[24]， 以 及 高 溫 超 導 體 [25]-[26]。. 20.
(29) (a) Czochralski 法. (b) Bridgman-Stockbarger 法. (c) 熔區法. (d) Verneuil 法. (e) 高溫溶液法. 圖 3-1 各 種 生 長 晶 體 的 方 法. 21.
(30) LHPG 方 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 方 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 方 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，且 晶體生長之縮徑比恰為子晶與原始晶棒的位移速度比之平方 根。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 方 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 103 ℃ /cm [23]， 比 Czochralski 法 20~50 ℃ /cm 的 溫 度 梯 度[24] 高 出 20 倍 之 多 ， 因 此 可 在 1~10 mm/min 之 速 度 快 速 地 生 長 晶 體 。 2.適 用 於 各 種 熔 點 與 組 成 的 晶 體 LHPG 方 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 2700 ℃ 以 上 。 同 時 ， LHPG 方 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。此外，可 將 材 料 粉 末 依 比 例 混 合 並 壓 成 硬 塊 做 為原始晶棒，並進行晶體之生長。. 22.
(31) 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，若調整雷射 光 束 輸 出 功 率 形 成 極 小 的 熔 區，則可長出直徑約數微米的晶體 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 方 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[12]。 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。. 然而，以 LHPG 方 法 生 長 晶 體 光 纖 之 過 程 中 ， 晶 體 吸 收 雷 射 能 量 產 生 高 熱 而 熔 融，此時熔區原子具有極高之動能而發生 運 動 ， 這 些 運 動 會 影 響 摻 雜 離 子 (dopant) 的 分 佈 ， 或 者 可 能 有 部 份 物 質 擴 散 至 表 面 並 汽 化 而 離 開 晶 體 [5]。 由 於 摻 雜 離 子 濃 度改變，將造成晶體折射率之變化，若能有效控制摻雜離子濃 度即可控制晶體之折射率分佈。. 23.
(32) 3-2 長晶裝置架構. CO2雷射. 步進馬達. 功率衰減器 生長腔. 擴束鏡片. 顯微鏡. 圖 3-2 LHPG 架構. 圖 3-2 為 本 論 文 之 晶 體 生 長 裝 置 ， 對 於 LHPG 方 法 之 生 長 設備有下列要求: 1.光 學 部 份 : 本論文利用 2 個凸透鏡將二氧化碳雷射光束擴束，並利用 一 組 圓 錐 反 射 鏡 將 光 束 轉 為 對 稱 之 環 形 光 束。在 圓 錐 反 射 鏡 的 支架部份，特地選擇對二氧化碳雷射具有極高穿透率之材料 ZnSe， 以 降 低 損 耗 並 提 高 光 均 勻 性 與 對 稱 性 而 提 高 熔 區 形 狀 之對稱性。同 時 ， 特 別 設 計 一 拋 物 面 反 射 鏡 將 環 狀 二 氧 化 碳 雷 射光束聚焦，可形成數十平方微米大小之高能量密度光點，因 此可生長出直徑數十微米之晶體光纖。. 24.
(33) 在晶體生長過程中，必須注意雷射功率之穩定與熔區形 狀、大小、高度之控制。這些因素會影響晶體光纖生長之直徑 變 化 與 品 質 。 若 是 晶 體 光 纖 直 徑 變 動 大 於 1 %或 形 成 節 點 ， 則 將成為元件之傳輸損耗的最大來源。 2.機 械 部 份 : 除了二氧化碳雷射功率穩定性外，系統的機械穩定性亦影 響晶體光纖的直徑變化，因此整體系統的防震與減震相當重 要。而在 LHPG 方 法 中 ， 震 動 的 最 大 來 源 來 自 馬 達 之 震 動 。 本 論文將拉提子晶與推送原始晶棒之步進馬達之轉速降為千分 之 一 ， 而 大 大 降 低 系統的震動。此外，若 以垂直方向生長，則 可避免因重力而造成的熔區變形與晶體光纖彎曲。 3.操 作 部 份 : 本 實 驗 使 用 之 LHPG 架 構 使 用 1 部 顯 微 鏡 及 2 部 水 準 儀 觀 察 並 校 準 晶 體 的 放 置 方 向 與 位 置，同 時 使 用 2 部 電 荷 耦 合 偵 檢 器 (charge -coupled device， 簡 稱 為 C C D)以 互 相 垂 直 的 方 向 即 時觀察晶體光纖之外形、熔區之形狀、大小以及固液界面。另 外，將 拉 提 子 晶 與 推 送 原 始 晶 棒 之 步 進 馬 達 及 二 氧 化 碳 之 功 率 衰減器與電腦連線，以便生長與控制，同時提高晶體光纖生長 的方便性、精確性與穩定性。. 利 用 LHPG 法生長晶體時，首先將 100 瓦 連 續 式 二 氧 化 碳 雷 射 以 一 組 凸 透 鏡 進 行 擴 束，再以一組圓錐面鏡將平行光轉為 環 形 光 ， 並 經 由 拋 物 面 反 射 鏡 聚 焦 於 原 始 晶 棒 之 一 端 (參 考 圖 3-3)。. 25.
(34) 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 3-3. LHPG 方法之生長腔示意圖. 此時，該端晶體開始熔融，將子晶接觸熔融之晶體，如圖 3-4 (a) ， 並 調 整 熔 區 形 狀 為 長 方 形 ， 而 且 上 下 兩 固 液 界 面 呈 水 平 且 互 相 平 行 ， 如 圖 3-4 (b)。 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，使熔區上方 寬 度 約 為 下 方 寬 度 的 一 半 ， 如 圖 3-4 (c)。 最 後 設 定 好 生 長 速 度 及 拉 提 子 晶 與 推 送 原 始 晶 棒 之 速 度 比，利 用 電 腦 控 制 步 進 馬 達 使其自動生長，則可生長出與子晶晶向相同之晶體。配合不同 的拉提子晶與推送原始晶棒之速度比，可得到不同之縮徑比。 例 如 ， 若 是 拉 提 子 晶 與 推 送 原 始 晶 棒 之 速 度 比 為 16:1，則長出 晶 體 光 纖 與 原 始 晶 棒 之 直 徑 比 為 1:4。. 26.
(35) (a). (b). (c). 圖 3-4 Nd:YAG 晶 體 光 纖 生 長 過 程. 生長晶體時，拉提子晶的速度將對生長出之晶體品質造成 影 響 。 若 生 長 直 徑 為 100 µ m 以 上 之 晶 體 光 纖 時 ， 生 長 速 度 不 可 高 於 3 mm/min， 否 則 生 長 出 之 晶 體 內 部 將 產 生 較 多 的 缺 陷 [21]； 生 長 速 度 亦 不 可 太 慢 ， 否 則 Nd 2 O 3 將 析 出 過 多 而 影 響 晶 體品質與以其製作為晶體光纖雷射之效能。本實驗採用 0.75~3.75 mm/min 之 生 長 速 度 ， 可 生 長 出 直 徑 23~285 µ m 之 晶 體 光 纖 ， 其 最 長 長 度 可 達 20 cm。 生 長 完 成 之 不 同 直 徑 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 如 圖 3-5，圖 3-6 為 以 速 度 1 mm/min 生 長 出 直 徑 200 µ m 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 。. 27.
(36) 圖 3-5 Nd:YAG 原 始 晶 棒 與 LHPG 法 生 長 之 晶 體 光 纖。 (a)500 µ m 之 原 始 晶 棒 及 以 LHPG 法 生 長 之(b)200 µ m、 (c)83 µ m、 (d)57 µ m 晶 體 光 纖. 200 µm. 圖 3-6 直 徑 200 µ m 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 放 大 圖. 28.
(37) 3-3 特性量測與分析. 為 了 解 以 LHPG 方 法 生 長 的 晶 體 光 纖 品 質，本實驗以 X 光 繞 射 儀 及 電 子 微 探 儀 進 行 結 晶 性 與 離 子 濃 度 分 佈 之 量 測 分 析。. 3-3-1 結晶性分析. 利 用 表 3-1 所 列 資 料 ， 將 其 輸 入”crystallographic ” 軟 體 ， 可 模 擬 YAG 晶 體 之 晶 格 模 型 與 XRD 圖 形 ， 如 圖 3-7 至 圖 3-9 所示。 表 3-1 YAG 晶 體 結 構 參 數 與 原 子 位 置 [30] 空間位置. 原子種類. 價電數. Al. +3. 0.0. 0.0. 0.0. Al. +3. 0.375. 0.0. 0.25. Y. +3. 0.125. 0.0. 0.25. O. -2. 晶格常數. 鍵長 Space group. x. y. -0.02985 0.05056 a=b=c=12.008 Å α =β =γ =90° Y-O 2.303 Å Y-O 2.432 Å Al-O 1.937 Å Al-O 1.761 Å Ia-3d (garnet). 29. z. 0.14878.
(38) (a) (b) 圖 3-7 不同晶向之 YAG 單位晶胞(unit cell)結構模型 (a)[100] (b)[111]。. 圖中大 顆 粒 為 釔 原 子 、 中 顆 粒 為 鋁 原 子 、 小 顆 粒 為 氧 原 子. 圖 3-8 YAG 粉末之 XRD 圖. 30.
(39) 圖 3-9 [111]YAG 之 繞 射 圖. 另 外 ， 以 SIEMENS D5000 多 功 能 X 光 繞 射 儀 對 不 同 直 徑 大 小 與 生 長 次 數 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 進 行 分 析，所 得 圖 形 如 圖 3-10。圖 3-10 (a) 為原始晶棒，其 XRD 圖 形 除 主 訊 號 外 ， 在 約 69° 位 置 有 一 個 小 訊 號 。 經 過 一 次 LHPG 生 長 之 晶 體 光 纖 的 XRD 圖 形 為 圖 3-10 (b)， 由 圖 中 可 明 顯 看 出 該 小 訊 號 已 減 少 許 多。將此生長出來之晶體光纖再生長為更細的晶體光纖，其 XRD 圖 形 為 圖 3-10 (c)， 由 圖 中 亦 可 發 現 小 訊 號 已 不 再 出 現 。 由此可知，晶體經過生長後，其單晶品質更高，且較細的晶體 光 纖 其 內 部 缺 陷 亦 較 少 [24]。. 31.
(40) Intensity (cpsx1000). 10 8 (3 -2 -1) 6 4 2 0 20. 40. 60. 80. 60. 80. 2θ(deg). (a). Intensity (cpsx1000). 10 8. (4 -2 -2). 6 4 2 0 20. 40 2 θ(deg). (b). Intensity (cpsx1000). 5 4. (5 -3 -2). 3 2 1 0 20. 40. 60. 80. 2θ(deg). (c) 圖 3-10 不同直徑大小之 Nd:YAG 晶體光纖之 XRD 分析結果。(a)500 µm 原始晶棒 (b)250 µm 晶體光纖 (c)141 µm 晶體光纖. 32.
(41) 在 圖 3-10 中 ， 主 要 的 繞 射 訊 號 角 度 位 置 皆 不 相 同 ， 乃 是 因為在量測過程中， X 光 打 在 晶 體 光 纖 側 面 ， 而 對 於 晶 體 光 纖 的 放 置 並 未 依 固 定 之 晶 向 放 置 。 然 而 可 以 利 用 ” crystallographic ”軟 體 或 依 表 3-2 算 出 其 晶 向 ， 並 可 發 現 皆 與 <111>方 向 垂 直 。 表 3-2 YAG 之各項特性參數. 將 圖 3-10 各 個 量 測 之 圖 形 局 部 放 大 以 便 觀 察 訊 號 寬 度 ， 可 發 現 繞 射 訊 號 乃 由 兩 個 訊 號 所 組 成 ， 如 圖 3-11 所 示 。 左 邊 較 高 的 訊 號 是 銅 的 Kα 1 訊 號 ， 右 邊 較 低 的 訊 號 是 銅 的 Kα 2 訊 號 。 由 圖 3-11 可 知 ， 每 經 過 一 次 LHPG 方 法 生 長 ， 訊 號 的 寬 度越窄；故可推知，經過一次 LHPG 生 長 可 令 晶 格 重 新 排 列 整 理，使得結構更緻密，晶體品質更高。. 33.
(42) Intensity (cpsx1000). 10 8 6 4 2 0 27.5. 27.6. 27.7. 27.8. 27.9. 28. 36.7. 36.8. 2θ (deg). (a) Intensity (cps x1000). 10 8 6 4 2 0 36.3. 36.4. 36.5. 36.6. 2θ (deg). (b) Intensity (cps x1000). 5 4 3 2 1 0 46.2. 46.4. 46.6. 2θ (deg). (c) 圖 3-11 不同直徑大小之 Nd:YAG 晶體光纖之 XRD 分析結果局部放大。 (a)500 µm 原始晶棒 (b)250 µm 晶體光纖(c)141 µm 晶體光纖. 34.
(43) 3-3-2 摻雜離子之濃度分佈分析. 在生長過程中，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，這 些 運 動 將 會 改 變 摻 雜 離 子 的 濃 度 分 佈。除 溫 度 梯 度 所 造 成 之 溶 解 度 及 擴 散 速 度 差 異 將 改 變 摻 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，摻雜離子的濃度分佈將主導晶體的折 射率分佈，若能夠量測並有效控制摻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。. 1.8. Nd離子濃度(atom%). 1.6. 直徑500μm 原始晶棒. 1.4. 直徑250μm 1.2. 直徑85μm 1. 直徑36μm. 0.8. 0.6 0. 20. 40. 60. 80. 100. 直徑(%). 圖 3-12 不同直徑的 Nd:YAG 晶體光纖之 Nd3+離子濃度分佈量測結果. 35.
(44) 利 用 Jeol 8900R 電 子 微 探 儀 對 不 同 直 徑 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 進 行 Nd 3+ 離 子 濃 度 分 佈 的 量 測，所得量測結果為圖 3-12。 由 圖 3-12 中 發 現 ， 在 晶 體 光 纖 表 面 的 Nd 3+ 離 子 濃 度 低 ， 因 此 在量測時有雜訊產生。此外，除原始晶棒外，以 LHPG 法 生 長 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 中 心 的 Nd 3+ 離子較高，並逐漸向外遞減； 而在直徑較小的晶體光纖，其濃度分佈又趨於平緩。 由 於 Nd:YAG 為 Nd 3+ 離 子 取 代 Y3+ 離子，而 Nd 3+ 離 子 之 折 射 率 高 於 Y3+ 離 子 [31]， 故 可 推 知 Nd:YAG 晶 體 光 纖 折 射 率 分 佈 為 中 心 高 而 外 圍 低 。 同 時 ， 由 過 去 J. Stone and C. A. Burrus 所 發 表 之 研 究 [29]得 知 折 射 率 與 徑 向 位 置 有 下 式 關 係 : Δn(r)=-Ara. (3-1). 其中， Δn(r) :與中心位置之折射率差 A. :比例常數. r. :與中心之距離. α. =2~3. 若晶體光纖內的折射率呈內高外低的漸進式變化，則具有 聚 焦 (focus)效 果 ， 而 降 低 在 晶 體 光 纖 內 部 的 傳 輸 損 耗 ， 具 有 極 良好的波導效果，其效果優於以塊狀晶體做為雷射增益介質之 傳統固態雷射，為極佳的雷射增益介質。. 36.
(45) 若 利 對 不 同 生 長 速 度 生 長 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 進 行 Nd 3+ 離 子 濃 度 分 佈 的 量 測，所 得 量 測 結 果 如 圖 3-13 所 示。由 圖 3-13 可 知 ， 生 長 速 度 亦 會 對 Nd 3 + 離 子 濃 度 分 佈 造 成 影 響 ， 生 長 速 度越快，則濃度分佈越均勻；生長速度越慢，則中心濃度越高 而 外 圍 濃 度 越 低 [24]。若 Nd:YAG 晶 體 光 纖 內 的 Nd 3+ 離 子 濃 度 提高，則其對激發光源的吸收亦相對提高，因此可得到較高的 增益。. Nd3+濃度(atom %). 1.8 1.6 1.4 0.75mm/min. 1.2 1mm/min. 1 0.8 0.6 0. 50. 100. 直徑 (%) 圖 3-13 不同生長速度的 Nd:YAG 晶體光纖之 Nd3+離子濃度分佈量測 結果. 37.
(46) 第四章 Nd:YAG 晶體光纖雷射製作與分析. 將 以 LHPG 方 法 生 長 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 按 圖 4-1 之 流 程 製作成雷射增益介質。 晶體生長 ↓ 退火 ↓ 玻璃包覆/玻璃退火 ↓ 研磨/拋光 ↓ 光學鍍膜 ↓ 雷射製作. 圖 4-1 Nd:YAG 晶體光纖雷射增益介質製作流程. 4-1 前處理 將 以 LHPG 方 法 生 長 出 來 的 晶 體 光 纖 ， 置 於 高 溫 爐 中 ， 在 1300℃ 退 火 (annealing) 1 小 時 [30]，讓 晶 格 重 新 排 列 (restructure) 而 去 除 殘 留 在 Nd:YAG 晶 體 光 纖 內 的 熱 應 力 。. 38.
(47) 退 火 之 後 ， 將 Nd:YAG 晶 體 光 纖 與 包 覆 用 的 Pyrex 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，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。 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 n1 為 1.82 ， Pyrex 之 光 折 射 率 n 2 為 1.47， 因 此 以 Pyrex 玻 離 包 覆 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 其 數 值 孔 徑 (numerical aperture) NA 為 NA =n1 sinθ 1. (4-1). =(n 1 2 -n2 2 ) 1/2 =1.07. (4-2). ∴ θ 1 =36.13°. (4-3). 由 式 (4-3)可知，以 Pyrex 玻 離 包 覆 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 接 受 角 (acceptance angle) θ 1 為 36.13°， 有 利 於 使 用 半 導 體 雷射做為激發光源所衍生之耦合效率不佳的問題。. 39.
(48) 4-2 研磨及拋光 將 以 Pyrex 玻 璃 包 覆 完 成 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 以 不 同 研 磨 顆粒大小之碳化矽砂紙，由粗而細進行研磨，接著再以各式拋 光 布 配 合 不 同 大 小 的 鑽 石 顆 粒 進 行 拋 光，直 到 滿 足 下 列 條 件 才 算完成研磨拋光程序:. 1.無 刮 痕 或 坑 洞 存 在 。 2.無 雜 質 介 入 。 3.不 同 材 質 間 的 界 面 清 晰 。 4.研 磨 /拋 光 面 平 整 ， 無 凹 凸 不 平 的 情 形 。 5.沒 有 因 研 磨 /拋 光 產 生 之 熱 而 導 致 之 破 壞 。. 而 影 響 研 磨 /拋 光 效 果 的 因 素 如 下 所 列 : 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 ， 但 不 適 用 於 摩 氏 硬 度 小 於 4 的試片。硬度小的試片應使用材質較軟的研磨 /拋 光 盤 ， 否 則 將 造 成 試 片 斷 裂 或 邊 緣 崩 塌 。. 2.研 磨 /拋 光 顆 粒 的 硬 度 、 大 小 、 種 類 及 用 量 越 硬 的 研 磨 /拋 光 顆 粒 磨 耗 速 率 越 高 ， 但 對 於 硬 度 小 的 試 片 卻 容 易 造 成 斷 裂 或 邊 緣 崩 塌 ； 而 研 磨 /拋 光 顆 粒 越 小 或 是 使 用 多 晶 作 為 研 磨/拋 光 顆 粒 ， 殘 留 的 刮 痕 、 坑 洞 也 越 小 ， 但 磨 耗速率低；且研磨顆粒應適量使用，以 免 產 生 過 多 刮 痕 或 坑 洞。. 40.
(49) 3.潤 滑 劑 成 份 及 用 量 在 研 磨 /拋 光 過 程 中 ， 需 使 用 潤 滑 劑 以 減 少 磨 擦 對 試 片 與 研 磨 /拋 光 盤 的 損 壞 ， 並 增 加 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，以免傷害試片。另外， 須 注 意 潤 滑 劑 之 成 份 是 否 適 用 於 試 片，不 會 對 試 片 造 成 腐 蝕 或 溶解，亦不會與試片發生化學反應。. 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。. 5.施 在 試 片 上 的 力 量 施在試片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。 6.時 間 研 磨 /拋 光 時 間 越 久 ， 研 磨 /拋 光 效 果 越 好 ， 但 如 此 將磨 去 較多的試片厚度。. 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 ， 依 表 4-1 所 列 程 序 進 行 研 磨 ， 各 種 砂 紙 上 之 顆 粒 大 小 如 表 4-2 所 示 。 經 表 4-1 程 序 研 磨 將 磨 去 Pyrex 玻 璃 包 覆 Nd:YAG 晶 體 光 纖 約 1 mm 之厚度。. 41.
(50) 表 4-1 Nd:YAG 晶體光纖之研磨程序 Pyrex 玻 璃 包 覆 Nd:YAG 晶體光纖. 試片種類 潤滑劑種類. 水. 研磨盤轉速. 300RPM. 磨頭施力大小 5N 研磨程序 砂紙種類. 研磨時間(分鐘). SiC paper #600. 1. SiC paper #800. 1. SiC paper #1200. 3. SiC paper #2000. 5. 表 4-2 砂紙編號與顆粒大小對照表 砂紙編號. 600. 800. 1200. 2000. 顆粒大小(µm). 27. 21.8. 15.2. 11. 圖 4-2 為 研 磨 完 成 的 Pyrex 玻 璃 包 覆 Nd:YAG 晶 體 光 纖 研 磨 面 放 大 圖 ， 由 圖 可 發 現 Nd:YAG 晶 體 光 纖 的 橫 截 面 呈 六 邊 形 ， 在 J. Stone 與 C.A. Burrus 的 研 究 中 亦 發 現 相 同 之 情 形 [6]。此乃因為 Nd:YAG 晶 格 在 <111>方 向 原 子 呈 現 六 邊 形 排 列 之 故 ， 如 圖 4-3 所 示 。. 42.
(51) 圖 4-2 直徑 200 µm 之 Nd:YAG 晶體光纖經碳化矽#2000 砂紙研磨後 的照片。中間較亮部份為 Nd:YAG 晶體，周圍為 Pyrex 玻璃。. 圖 4-3 YAG 在<111>方向之晶格結構圖. 43.
(52) 委 託 工 研 院 光 電 所 進 行 拋 光 ， 並 利 用 Dektak 表 面 量 測 儀 量 測 其 平 整 度， 圖 4-4 為 其 表 面 量 測 圖 形， 圖 4-5 為 拋 光 面 之 放大圖形 。由於所使用的拋光顆粒為氧化鍶，其硬度略低於 YAG，因此 Nd:YAG 晶 體 光 纖 凸 出 Pyrex 玻 璃 表 面 約 2.5 µ m， 若作為雷射增益介質將造成表面散射損耗。. 圖 4-4 Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖拋光面表面量測. 圖 4-5 Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖拋光面放大圖. 44.
(53) 為 改 善 Nd:YAG 凸 起 之 現 象 ， 本 論 文 使 用 硬 度 比 Nd:YAG 高 的 鑽 石 做 為 拋 光 顆 粒 ， 配 合 RotoPol-22 數 位 式 研 磨 拋 光 機 及 RotoForce-1 數 位 式 自 動 研 磨 頭 ， 以 表 4-3 所 列 程 序 進 行 拋 光 ， 並 對 表 面 高 度 分 佈 進 行 量 測 ， 所 得 結 果 如 圖 4-6。由圖 4-6 可 知 ， Nd:YAG 凸 出 約 0.6 µ m， 但 表 面 存 在 許 多 微 小 刮 痕 。 表 4-3 Nd:YAG 晶體光纖之拋光程序#1 試片種類. Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 潤滑劑種類. Struers 紅 色 拋光潤滑劑. 研磨盤轉速. 150RPM. 磨頭施力大小. 5N 拋光程序. 拋光顆粒大小 與拋光布種類 6µm 鑽石. MD-Pan 3µm 鑽石. MD-Pan 1µm 鑽石. 拋光液滴速(滴/秒) 拋光時間(分鐘). 1/1.5. 20. 1/1.5. 60. 1/1.5. 120. 1/5. 300. MD-Dur 1/4µm 氧化鋁粉. SP-PoliFloc4. 45.
(54) 圖 4-6 Nd:YAG 晶體光纖經 表 4-3 程 序 拋 光 之 拋光面表面量測. 使 用 表 4-4 所 列 程 序 拋 光 ， 將 表 4-3 所 列 程 序 中 最 後 一 道 程 序 所 使 用之 氧 化 鋁 粉 改 為 氧 化 鋁 懸 浮 液，以降低拋光顆粒密 度 而 減 少 拋 光 時 表 面 產 生 之 刮 痕，所 得 之 拋 光 面 表 面 量 測 結 果 如 圖 4-7 所 示 。 由 圖 4-7 可 知 ， Nd:YAG 晶 體 光 纖 凸 出 約 1.5 µ m， 且 表 面 較 依 表 4-3 所 列 程 序 之 拋 光 結 果 平 整 。 利 用 原 子 力 顯 微 鏡 (atomic force microscopy，簡 稱 為 AFM) 進 行 表 面 粗 糙 度 之 量 測 ， 其 量 測 結 果 如 圖 4-8 所 示 。 由 圖 4-8 之量測結果可知，其 拋 光 面 表 面 平 均 粗 糙 度 約 4.846 nm，相當 於 氦 -氖 雷 射 波 長 (632.8 nm)的 1/130。 雖 然 以 表 4-4 之 程 序 可 得較平整的拋光面，然而拋光程序卻過於耗時。. 46.
(55) 表 4-4 Nd:YAG 晶體光纖之拋光程序#2 試片種類. Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 潤滑劑種類. Struers 紅 色 拋光潤滑劑. 研磨盤轉速. 150RPM. 磨頭施力大小. 5N 拋光程序. 拋光顆粒大小 與拋光布種類 6µm 鑽石. MD-Pan 3µm 鑽石. MD-Pan 1µm 鑽石. MD-Dur. 拋光液滴速(滴/秒) 拋光時間(分鐘) 1/2.5. 30. 1/2.5. 60. 1/2.5. 60. 1/4µm 氧化鋁懸浮液. 1/10. SP-PoliCel2. (潤滑劑為水). 1080. 圖 4-7 Nd:YAG 晶體光纖經 表 4-4 程 序 拋 光 之 拋光面表面量測. 47.
(56) 圖 4-8 Nd:YAG 晶體光纖經 表 4-4 程 序 拋 光 之 拋 光 面 粗 糙 度 量 測. 為 解 決 表 4-4 所 列 拋 光 程 序 過 於 耗 時 的 問 題 ， 除 在 1 µ m 鑽 石 之 後 加 入 1/4 µ m 之 鑽 石 進 行 拋 光 外 ， 並 將 最 後 的 拋 光 顆 粒 由 氧 化 鋁 懸 浮 液 改 為 氧 化 鋁 膏 ， 如表 4-5 所 列 程 序 。 圖 4-9 為 拋 光 面 之 放 大 圖 ， 圖 4-10 為 拋 光 面 之 表 面 量 測 圖 形 ， 其 曲 率 半 徑 約 9.3 mm。 圖 4-11 為 以 AFM 進 行 之 粗 糙 度 量 測 ， 其 拋 光 面 表 面 平 均 粗 糙 度 約 14.024 nm，相當於氦-氖 雷 射 波 長 的 1/45。. 經以上拋光與量測， 最 後 得 到 表 4-5 之 最 佳 拋 光 程 序 ， 其 所 需 之 拋 光 時 間 約 8 小時，可得氦 -氖 雷 射 波 長 的 1/45 之 表 面 平 整度。. 48.
(57) 表 4-5 Nd:YAG 晶體光纖之拋光程序#3 試片種類. Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 潤滑劑種類. Struers 紅 色 拋光潤滑劑. 研磨盤轉速. 150RPM. 磨頭施力大小. 5N 拋光程序. 拋光顆粒大小 拋光液滴速(滴/秒) 拋光時間(分鐘) 與拋光布種類 6µm 鑽石 1/5 30. MD-Pan. 3µm 鑽石. MD-Pan 1µm 鑽石. MD-Dur 1/4µm 鑽石. MD-Nap 1/4µm 氧化鋁膏. SP-PoliCel2. 1/5. 30. 1/5. 60. 1/5. 60. 1/5. 300. 圖 4-9 Nd:YAG 晶體光纖經 表 4-5 程 序 拋 光 之 拋 光 面 放 大 圖. 49.
(58) 圖 4-10 Nd:YAG 晶體光纖經 表 4-5 程 序 拋 光 之 拋光面表面量測. 圖 4-11 Nd:YAG 晶體光纖經表 4-5 程序拋光之拋光面粗糙度量測. 50.
(59) 4-3 光學量測. 將 製 作 完 成 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 進 行 光 學 量 測 ， 以 了 解 晶 體之吸收率及內部缺陷所造成之繞射。. 4-3-1 波導橫模量測. 為 了 解 Nd:YAG 晶 體 光 纖 內 部 結 構 及 品 質，應 使 用 X 光 單 晶 繞 射 儀 量 測 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 缺 陷 密 度 。然 而 由 於 晶 體 光 纖體積太小，無法使用 X 光單晶繞射儀進行分析，因此使用 氦 -氖 雷 射 進 行 量 測 ， 同 時 亦 可 觀 察 Nd:YAG 晶 體 光 纖 的 傳 輸 橫模。 實 驗 架 構 如 圖 4-12 所 示 ， 利 用 一 焦 距 為 75 mm 之 雙 凸 透 鏡 將 氦 -氖 雷 射 聚 焦 於 Nd:YAG 晶 體 光 纖 一 端 ， 並 觀 察 另 一 端 的 輸 出 圖 形 ， 所 得 圖 形 如 圖 4-13。. 聚焦透鏡 f=75mm Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 氦-氖雷射. 圖 4-12 Nd:YAG 晶體光纖傳輸橫模量測架構. 51.
(60) 圖 4-13 Nd:YAG 晶體光纖對氦 -氖雷射之輸出圖形. 由 圖 4-13 發 現 ， Nd:YAG 晶 體 光 纖 對 氦 -氖 雷 射 之 輸 出 橫 模 呈 環 狀 ， 因 此 可 推 論 得 知 ， Nd:YAG 晶 體 光 纖 與 Pyrex 玻 璃 之界面仍存有缺陷或縫隙，使光束散射或沿縫隙傳輸，而無法 在 晶 體 光 纖 內 部 進 行 全 反 射 傳 輸。這 將 造 成 激 發 光 束 與 激 發 輻 射的損耗，使得幫浦閥值提高。. 52.
(61) 4-3-2 吸收率量測. 由 於 雷 射 二 極 體 (laser diode， 簡 稱 為 LD)之 輸 出 波 長 受 工 作溫度 與 外 加 電 流 影 響 ，為 了 解 Nd:YAG 晶 體 光 纖 對 不 同 工 作 溫度設定與外加電流之雷射二極體所發出之激發光源的吸收 狀 況 ， 進 行 Nd:YAG 晶 體 光 纖 吸 收 率 之 量 測 ， 圖 4-14 為 量 測 之架構。. (a). LD. Grin lens 積分球. Pyrex 玻璃 (b). LD. Grin lens 積分球 Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. (c). LD. Grin lens. 積分球 圖 4-14 Nd:YAG 晶體光纖吸收率量測架構. 53.
(62) 使 用 型 號 SDL-2372E AE117 之 雷 射 二 極 體 為 光 源，其 中 心 波 長 約 為 812 nm， 並 以 自 聚 焦 透 鏡 (gradient index lens,簡 稱 為 Grin lens)做 為 聚 焦 透 鏡，將 LD 光 源 聚 焦 於 Nd:YAG 晶 體 光 纖 內 。 由 於 Nd:YAG 晶 體 光 纖 直 徑 小 於 200 µ m 以 下 ， 輸 出 端 的 光 發 散 角 很 大 ， 故 使 用 積 分 球 做 為 偵 檢 器 。 除 了 量 測 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 吸 收 率 外 ， 同 時 亦 對 Pyrex 玻 璃 進 行 量 測 ， 以 便 扣 除 表 面 反 射 與 玻 璃 吸 收 所 造 成 之 損 耗，量測結果如表 4-6(僅 列 出 一 組 電 流 之 數 據 )與 圖 4-15。 表 4-6 Nd:YAG 晶體光纖之吸收率與 Pyrex 玻璃之吸收損耗量測 試片 LD 電流 LD 溫控溫度 (℃). Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖(直徑:200 µ m，長度:2.3 mm) 1300℃退火 1 小時，表面拋光，無光學鍍膜 900mA. 輸出功率 (mW). Pyrex 玻璃之. Nd:YAG晶纖 之吸收率 架構(a) 架構(b) 架構(c) 反射損耗與吸收率 a. b. R%=(a-b)/a. c. A%=(b-c)/a. 25. 13.87. 12.90. 8.35. 6.99. 32.83. 24. 15.76. 14.58. 9.33. 7.49. 33.32. 23. 18.12. 16.75. 10.61. 7.56. 33.89. 22. 21.04. 19.61. 12.34. 6.80. 34.55. 21. 24.48. 23.20. 14.44. 5.23. 35.78. 20. 28.15. 26.65. 16.66. 5.33. 35.49. 19. 31.98. 30.20. 18.89. 5.57. 35.37. 18. 35.57. 33.37. 21.42. 6.18. 33.60. 17. 39.24. 36.87. 23.63. 6.04. 33.74. 16. 42.85. 40.29. 25.71. 5.97. 34.03. 15. 46.54. 43.58. 27.89. 6.36. 33.71. 54.
(63) 60 50. 吸收率 (%). 1700mA 40. 1500mA 1300mA 1100mA. 30. 900mA. 20 10 0 15. 17. 19 21 溫度 (℃). 23. 25. 圖 4-15 Nd:YAG 晶體光纖之吸收率. 由 以 上 結 果 可 知 ， Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 吸 收 率 約 為 32~52 %， 平 均 吸 收 率 約 為 41.22 %， 其 單 位 長 度 之 吸 收 率 較 1 %之 Nd:YAG 塊 狀 (bulk)晶 體 高 出 25~50 %。 而 表 面 反 射 與 Pyrex 玻 璃 對 LD 光 源 的 吸 收 損 耗 約 為 7.07 %，若以此 Nd:YAG 晶 體 光纖做為雷射增益介質，並置入共振腔內，則將大大提高幫浦 閥值。因此，應在晶體光纖表面鍍上對激發光源的抗反射薄膜 (anti-reflective coating， 簡 稱 為 AR coating)， 以 降 低 對 激 發 光 源的損耗，增 加 激 發 光 源 的 耦 合 效 率 並 降 低 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷射之幫浦閥值。. 55.
(64) 4-4 光學鍍膜. 為 使 波 長 1064nm 之 激 發 輻 射 在 Nd:YAG 晶 體 光 纖 內 部 振 盪 ， 需 在 外 部 架 設 雷 射 共 振 腔(cavity)。 然 而 ， 由 於 做 為 雷 射 增 益 介 質 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 直 徑 小 於 200 µ m 以 下 ， 其 光 發 散角極大，因而產生極大的損耗，故在 Nd:YAG 晶 體 光 纖 兩 端 鍍 上 高 反 射 率 光 學 薄 膜 (high-reflective coating ， 簡 稱 為 HR coating)， 使 激 發 輻 射 僅 在 Nd:YAG 晶 體 光 纖 內 振 盪 ， 不 致 在 空氣中偏折、發散而損耗。同時，於上一節估算出表面反射損 耗 高 達 14 %， 因 此 應 增 加 Nd:YAG 晶 體 光 纖 對 激 發 光 源 的 穿 透率，以達高耦合效率。 圖 4-16 為 使 用 電 子 鎗 蒸 鍍 機 所 蒸 鍍 的 光 學 薄 膜 ， 對 波 長 808 nm 的 反 射 率 約 1.47 %， 而 對 波 長 1064 nm 的 反 射 率 約 97.73 %。. 100 90 80 反射率 (%). 70 60 50 40 30 20 10 0 700. 800. 900 1000 波 長 (nm). 1100. 1200. 圖 4-16 Nd:YAG 晶體光纖表面鍍膜之反射率與波長關係. 56.
(65) 4-5 Nd:YAG 晶體光纖雷射製作. 本 論 文 以 平 均 摻 雜 濃 度 約 1.2 % 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖為 雷 射增益介質，由表 2-3 所 列 Nd:YAG 的 光 學 特 性 中 可 知 其 吸 收 頻 寬 約 1 nm， 故 應 使 用 頻 寬 寬 度 極 窄 之 光 源 。 因 此 ， 使 用 型 號 SDL-2372E AE117 之 雷 射 二 極 體 ， 其 室 溫 下 之 中 心 波 長 約 為 812 nm， 輸 出 波 長 集 中 在 2 nm 的 頻 寬 內。 同 時 ， 雷 射 二 極 體 具 有 隨 工 作 溫 度 而 改 變輸 出 波 長 的 特 性 (約 0.3 nm/℃ )， 故 可 藉 由 控 制 其 工 作 溫 度 改 變 輸 出 波 長，而 改 變 Nd:YAG 對 激 發 光 源 的 吸 收 深 度 (absorption depth)， 以 得 到 最 佳 的 雷 射 輸 出 功 率。吸 收 深 度 為 激 發 光 源 經 增 益 介 質 吸 收 而 衰 減 成 為 原 強 度 之 1/e 時 的 深 度 ， 因 此 增 益 介 質 對 激 發 光 源 的 吸 收 率 越 高 ， 吸 收 深度越短。. 晶 體 光 纖 雷 射 的 幫 浦 閥 值 P t h 可 寫 成 下 式 [17]:. Pth =. hν p σ eff τ f. ×. δ Af × 2 F. (4-4). F=. Af A ∗p. (4-5). V=. 2 πr 2 n 1 − n 22 λ. (4-6). 其中，. h. :普朗克常數(Plank’s number). νp. :激發光源頻率. 57.
(66) σeff :有效激發輻射截面(effective stimulated emission cross section) τf :螢光生命期. δ :共振腔損耗 F :匹配係數(filling number) Af :激發幅射模態截面積(active area) Ap * :有效激發面積 由 式 (4-4)與 (4-5)可 知， 幫 浦 閥 值 的 大 小 主 要 決 定 於 共 振 腔 損 耗 及 匹 配 係 數，要 降 低 幫 浦 閥 值 需 降 低 共 振 腔 損 耗 與 提 高 模 態 匹 配 ， 而匹 配 係 數 與 V 值 有 關 。 因 此 ， 晶 體 光 纖 之 直 徑 大 小以及與包覆層材料之折射率的差異亦將對幫浦閥值造成影 響。除此之外，選擇適當的激發光源波長以提高吸收及量子轉 換效率亦可降低幫浦閥值。 自聚焦透鏡是個體積小、集光力強的聚焦透鏡，適當地調整與雷 射二極體及增益介質間的距離，能改變幫浦光點的模態、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，並減少多餘的熱產 生以及提升光對光的轉換效率。 表 4-7 用 於 830nm 波 長 範 圍 之 自 聚 焦 透 鏡 參 數 Pitch. 數值孔徑. 直 徑 (mm). 長 度 (mm). 0.23. 0.46. 1.8. 4.35. 0.25. 0.46. 1.8. 4.73. 0.29. 0.46. 1.8. 5.49. 58.
(67) Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶纖 激發光束. 0.29 pitch Grin lens. (a) Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶纖 0.25 pitch 激發光束 Grin lens. (b) Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶纖 0.23 pitch 激發光束 Grin lens. (c) 圖 4-17 自聚焦透鏡的聚光示意圖(a) 0.29 pitch (b) 0.25 pitch (c) 0.23 picth. 自 聚 焦 透 鏡 可 依 其 pitch 數 而 有 不 同 的 長 度 及 焦 距 大 小 ； 0.29 pitch 的 自 聚 焦 透 鏡 ， 因 焦 點 極 接 近 其 輸 出 端 面 ， 即 使 Nd:YAG 晶 體 光 纖 與 透 鏡 間 的 距 離 小 於 0.1 mm，也 無 法 得 到 最. 59.
(68) 佳的模態匹配，且極易因擦撞而破壞晶體光纖表面之光學鍍膜 如 圖 4-17 (a)； 若 是 以 0.25 pitch 的 自 聚 焦 透 鏡 取 代 ， 雖 然 自 聚 焦 透 鏡 與 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 間 相 隔 1 mm， 然 而 元 件 之 間 距 離 很 小 ， 對 模 態 匹 配 與 雷 射 製 作 上 不 利 ， 如 圖 4-17 (b)； 若 使 用 0.23 pitch 的 自 聚 焦 透 鏡 ， 則 焦 距 可 提 高 至 2 mm， 如 此 可 增 加 耦 合 透 鏡 與 增 益 介 質 間 的 距 離，有 助 於 最 佳 化 雷 射 的 模 態 匹 配 ， 如 圖 4-17 (c)。. 圖 4-18 為 利 用 ”Beam 4”光 學 模 擬 軟 體 對 0.23 pitch 自 聚 焦 透鏡之模擬結果，由圖可知，自聚焦透鏡的物距與像距成反 比 ， 且 物 距 越 大 則 光 腰 越 小。然 而 ， 由 於 光 源 為 雷 射 二 極 體 ，. 3 光腰大小 vs. 物距 像距 vs. 物距. 2.5 像距 (mm). 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0. 2 1.5 1 0.5 0 0. 1. 2. 3. 4. 光腰大小 (µm). 其 發 散 角 高 達 40° ， 因 此 物 距 越 大 則 光 散 射 損 失 越 大 。. 5. 物距 (mm). 圖 4-18 0.23 pitch 自聚焦透鏡之像距、光腰大小與物距之關係. 60.
(69) Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 0.23 pitch Grin lens. 濾片. LD (a) Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 0.23 pitch Grin lens. 濾片. LD (b) 圖 4-19 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 架 構 圖 (a)半 對 稱 式 共 振 腔 (b)雙 平 面 鏡 式 共 振 腔. 圖 4-19 為 常 見 的 雷 射 系 統 架 構 圖，其 中 包 括 雷 射 二 極 體 與 自 聚 焦 透 鏡 構 成 的 幫 浦 系 統，以及兩面高反射率反射鏡所構成 的雷射共振腔，表 4-8 為 本 論 文 中 所 使 用 之 各 種 幾 合 組 合 之 共 振腔。. 半 對 稱 式 共 振 腔 屬 於 穩 定 式 共 振 腔 ， 光 回 饋 (optical feedback)能 力 高 ， 容 易 產 生 雷 射 振 盪 。 然 而 ， 由 於 輸 出 透 鏡 的 曲 率 與 波 長 1064 nm 之 激 發 輻 射 波 前 不 匹 配，且 晶 體 光 纖 直 徑 小 於 200 µ m， 其 光 發 散 角 極 大 ， 將 產 生 散 射 損 耗 ， 而 增 加 腔. 61.
(70) 內損耗。若使用雙平面鏡式共振腔，必須將兩面平面鏡緊緊靠 近 Nd:YAG 晶體光纖之兩端，以減少因散射而造成之損耗。然 而 ， 反 射 鏡 與 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 間 仍 存 在 數 百 倍 波 長 之 距 離，同時由於 Nd:YAG 晶 體 光 纖 與 端 面 並 非 垂 直 ， 因 而 存 在 非 垂 直 入 射 之 損 耗 。 此 外 ， Nd:YAG 晶 體 光 纖 與 Pyrex 玻 璃 界 面 之缺陷所造成的傳輸損耗使共振腔的共振效果不佳。因此，以 上架構皆無法成功得到雷射輸出。 表 4-8 各 種 反 射 鏡 組 合 之 共 振 腔 共振腔種類. 入射端耦合透鏡 2.2*2.2*0.15 mm3 HR@1064nm WNL0107. R=25.9mm. HR@1064nm. HR@1064nm. AR@808nm WNL0107. R=50mm. HR@1064nm. T=94%@1064nm. AR@808nm WNL0107 雙平面鏡式. R=25.9 mm HR@1064nm. AR@808nm 半對稱式. 輸出端耦合透鏡. R=100mm. HR@1064nm. T=98%@1064nm. AR@808nm. 表 中 之 反 射 鏡 與 鍍 膜 為 CASIX 之 產 品. 由於半對稱式共振腔與雙平面鏡式共振腔同時存在表面 散射損耗的問題，因 此 直 接 在 Nd:YAG 晶 體 光 纖 表 面 鍍 上 光 學. 62.
(71) 介電薄膜形成雷射共振腔，以解決表面散射損耗問題，並提高 激 發 光 源 之 耦 合 效 率 ， 其 架 構 如 圖 4-20 所 示 。. Pyrex 玻璃包覆 Nd:YAG 晶體光纖. 0.23 pitch Grin lens. 濾片. LD 圖 4-20 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 架 構 圖. 利 用 LHPG 方 法 以 速 度 比 6:1 ， 生 長 速 度 1 mm/min 生 長 Nd:YAG 晶體光纖，其 直 徑 約 204 µ m，長 度 約 4 mm。使 用 Pyrex 玻 璃 包 覆 ， 並 依 表 4-1 及 4-5 所 列 程 序 研 磨 與 拋 光 ， 接 著 對 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 入 射 端 與 輸 出 端 分 別 鍍 上 不 同 反 射 率 之 光 學 介 電 薄 膜，以 使 部 分 波 長 1064 nm 之 激 發 輻 射 由 輸 出 端 輸 出 ， 其 反 射 率 分 佈 如 圖 4-21 所 示 。 最 後依 圖 4-20 所 示 裝 置 架 構 ， 在 148.7 mW 的 激 發 功 率 可 得 到 波 長 1064 nm 之 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 輸 出，在 752.7 mW 的 LD 光 源 激 發 下 可 得 16.65 mW 的 輸 出 ， 其 斜 率 效 率 約 3.34%， 如 圖 4-22 所 示 。. 63.
(72) 100 入射端. 反射率 (%). 80. 輸出端 T=2%@1064nm. 60 40 20 0 700. 800. 900 1000 波長 (nm). 1100. 1200. Nd:YAG 晶體光纖雷射輸出功率 (mW). 圖 4-21 Nd:YAG 晶體光纖表面鍍膜#1 之反射率與波長關係 18 16. η=3.34%. 14 12 10 8 6 4 2 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 吸收的激發功率 (mW). 圖 4-22 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 #1 之 斜 率 效 率. 64.
(73) 將 相 同 生 長 條 件 的 Nd:YAG 晶體光纖，其直徑約 204 µ m， 長 度 約 3.5 mm。依 與 上 述 相 同 的 程 序 進 行 包 覆 、 研 磨 、 拋 光 ， 並 對 Nd:YAG 晶 體 光 纖 之 入 射 端 與 輸 出 端 分 別 鍍 上 不 同 反 射 率 之 光 學 介 電 薄 膜 ， 其 反 射 率 分 佈 如 圖 4-23 所 示 。. 100 入射端 輸出端 T=4%@1064nm. 反射率 (%). 80 60 40 20 0 700. 800. 900. 1000. 1100. 1200. 波長 (nm). 圖 4-23 Nd:YAG 晶體光纖表面鍍膜#2 之反射率與波長關係. 最 後 依 圖 4-20 架 構 亦 得 到 波 長 1064 nm 之 雷 射 輸 出 ， 其 幫 浦 閥 值 約 143 mW，在 735.5 mW 的 LD 光 源 激 發 下 可 得 38.4 mW 的 輸 出 ， 其 斜 率 效 率 約 8.78%， 如 圖 4-24 所 示 。. 65.
(74) Nd:YAG 晶體光纖雷射輸出功率 (mW). 40. 30. 20. 10. 0 0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700. 800. 吸收的激發功率 (mW). 圖 4-24 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 #2 斜 率 效 率. 由以上結果可知，在高激發功率時，晶體光纖內部的熱卻 無 法 有 效 地 移 除 ， 因 而 嚴 重 影 響 Nd:YAG 晶 體 光 纖 的 輸 出 功 率。因此，應選擇熱傳導佳的材料做為包覆材料以改善此問 題。此外，雷射幫浦閥值相當高，而增加晶體內部的溫度，故 降低腔內損耗並降低幫浦閥值亦相當重要。 由 式 (2-11)可 推 算 出 腔 內 損 耗 δ，再代入式 (2-12)可 推 算 出 Nd:YAG 晶 體 光 纖 內 的 傳 輸 損 耗 係 數 α，並 與 M. J. F. Digonnet 之 研 究 結 果 [21]比 較 如 表 4-9 所 示 。 由 表 中 所 列δ 之 差 異 可 知，本 論 文 所 製 作 的 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 之 共 振 腔 損 耗 高 出 許多，以致雷射輸出功率與斜率效率不佳。. 66.
(75) 表 4-9 Nd:YAG 晶 體 光 纖 雷 射 之 比 較 (*為 本 論 文 實 驗 結 果 ) r. L. δ. T. α (cm-1 ). (µ m) (mm) (%) *102. 4.0. 2. 0.455. 0.54. *102. 3.5. 4. 0.346. 0.33. 115. 4.0. 5. 0.078. 0.07. 由 4-3-1 節 可 知，Nd:YAG 晶 體 光 纖 與 Pyrex 玻 璃 因 熱 膨 脹 係數之差異，在包覆過程中可能因此而產生裂痕或缺陷，造成 激發光源散射，而降低對激發光源之使用效率。此外，包覆層 材 料 與 Nd:YAG 晶 體 光 纖 的 折 射 率 差 亦 極 為 重 要，其差異值越 小 則 波 導 效 果 越 好[19]。表 4-10 列 出 Nd:YAG 與 Pyrex 玻 璃 之 各 項 物 理 性 質 之 差 異， 由 表 4-10 可知，Nd:YAG 與 Pyrex 玻 璃 之折射率及熱膨脹係數差異均大，故應尋求更適合包覆的材 料，以降低腔內損耗。 表 4-10 Nd:YAG 與 Pyrex 玻 璃 之 各 項 物 理 性 質 之 差 異 材料. 折射率 熱膨脹係數 @1064nm (K-1 ). Nd:YAG. 1.82. 7.7×10-6. Pyrex 玻 璃. 1.47. 3.2×10-5. 此 外 ， Nd:YAG 晶 體 光 纖 必 須 與 端 面 垂 直 ， 否 則 將 產 生 非 垂直入射之散射損耗，而降低對激發光源的耦合效率。然而， 本 論 文 中 所 採 用 的 研 磨 拋 光 機 在 研 磨 /拋 光 中 無 法 對 Nd:YAG. 67.
(76) 晶體光纖定向，故 無 法 準 確 地 磨 出 與 Nd:YAG 晶 體 光 纖 垂 直 的 端 面 。 而 且 ， 拋 光 面 略 微 外 凸 而 非 平 面 ， 其 曲 率 半 徑 約 9.3 mm， 故 存 在 表 面 損 耗 而 降 低 激 發 光 源 之 耦 合 效 率 ， 同 時 降 低 模態匹配。因此，應對研磨拋光方法加以改善。. 68.
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