赖英杰TiSapphire郭艳光.docx
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赖英杰TiSapphire郭艳光
題目：
Ti:
Sapphire（Al2O3）Laser
教授：
郭艷光老師
學號：
8522034
姓名：
賴英傑
1．可調雷射簡介
可調雷射早在一九六三年已由L.F.Johnson及其共同的工作伙伴成功地用閃光燈作為幫泵來激發由Ni2+滲雜在MgF2之中的活性介質，隨後有Co2+及V2+滲於MgF2之中的活性介質；接下來又有Sm2+參雜在CaF2之中，但是上述提到的起初發展的可調雷射是沒有實際上的應用價值，因為當時所製造的可調雷射是必須在低溫的環境之才能有作用，因此無法達到實際的利用。
可調雷射是最近幾年來，科學家已經投入大量的精力在可調雷射的研發製造，至目前也有相當的成果，像是染料雷射也是過去相當有名的可調雷射。
在可調雷射領域中的重要發展是製造出alexandrite（翠綠寶石）晶體（Cr3+：
BeAl2O3），此雷射晶體可在室溫下操作，波長約在0.75μm，而進一步的發展是Ti3+Sapphire（Al2O3）及Cr4+-forsterite（Mg2SiO4），而這兩種可調雷射顯現出在紅外光區域有相當大範圍的可調區，分別是在650-1100nm及900-1300nm，而這兩者也是目前最有發展性的可調雷射的晶體。
圖一 各種可調雷射體晶之可調區域
2．可調雷射工作原理：
我們知道雷射發光的相關原理，是由於電子由低能階受激發躍遷到較高能階，因為在此生命週期通常非常短，所以迅速降至一暫穩態或稱雷射上能階然後降回雷射下能階之原故，也就是在兩個非簡併態間的轉移，雷射的增益的式子為g（E）=σ（E）（Nj-Ni），其中Nj與Ni分別是雷射上能階與雷射下能階的電子密度，σ（E）-放射截面積（emissioncrosssection）。
由於固態雷射故名思義它的母體是固體，因晶格振動能階的量子化我們稱為phonon聲子，在固態雷射中晶體中由於phonon（聲子）與電子系統間的耦合，就是摻入原子於母體晶體之後，使得phonon與電子間的強烈的交互作用，圖二中的電子震動能階代表許多的晶格震動能量，這電子震動能階會分裂成多重態，
圖二 Schematicillustrationofmanifoldsofvibronicstatesassociatedwitheachelectronicstate
而上述提到的雷射上能階與雷下能階就分別以j與i來表示每一個不同的能階。
上述的雷射增益式子假若考慮熱效應的話，則式子必須改為：
g（E）=σ（E）{Nj-Niexp[（E-hυ）/kT]}。
因為電子震動能階分裂成重態，所以會造成吸收及輻射光譜變寬，當低態帶的電子受激發而提升至高能階時，其生命期很短，而迅速降往低能階，此時由於低階的電子處於振動的情形之下（故此雷射稱VibronicLaser），其基態能階（groundstate）是很寬的，因此放出的光其波長各不相同，所以當雷射光輸出時，其波長分佈的很廣，因此以不同的操作方式可以選擇所要的波段。
電子震動固態雷射材料如:
alexandrit（BeAl2O4withCr3+ions）,titanium-sapphire（Al2O3:
Ti3+），氟化物摻入金屬離子（eg.,MgF2:
Co++orCsCaFs:
V2+）。
電子震動固態雷射的可調範圍可選擇不同的母體來摻入適當的離子，如下圖可看出，Cr3+於不同的母體中其發光範圍：
KZnF3
glass
Al（PO4）3
BeAl2O4
0.60.70.80.91.0
圖三：
SpectralrangesoffluorescenceforCr3+indifferenthostmaterials
Ti
Cr3+Ni2+
Mn2+V2+CO2+
0.51.01.52.02.53.0λnm
圖四不同原子於MgF2
3．Ti:
Sapphirelaser簡介
在sapphire晶體內滲入Titanium的雷射材料是被廣泛運用的可調雷射，此雷射具有特優的熱學、物理及光學的特性，並且具有波長輸出範圍在650到1100nm，此區域在紅外光的區域，假若以倍頻的技術的話，可以提供紫外光及藍綠區域的波長輸出。
圖三是Titanium-sapphirelaser的吸收與輻射的波長分佈。
圖五吸收與輻射波長分佈
Titanium-sapphirelaser是四階的電子震動雷射（圖六），其放射生命週期是3.2×10-6sec，吸收寬帶的峰值是在490nm，因此它算是一種很好的雷射材料，因為從圖五可看出假若要激發此雷射可用波長在藍綠光區域的雷射來打它，像是氬離子雷射、銅蒸氣雷射或者倍頻的Nd:
YAG雷射（1064nm=>532nm）及染料雷射，焛光幫泵也是會造成很好的結果。
1.5ms
6.6μs
Photonrelaxation
Lasertransitions（發光）
excitation
Photoncoupling
圖四：
Levelschemeofatunable“four-levelsolid-statevibroniclaser”
由於Titanium-sapphirelaser是全固體的且不用像染料一樣有染料的消耗，且染料有毒且當輸出波長大於700nm時，Titanium-sapphirelaser是優於染料雷射的，它的功率較大，輸出頻率穩定且smallerlinewidth。
Ti:
Sapphire（Al2O3）是目前最受廣泛引人注意的固態可調雷射材料，Titanium-sapphirelaser在連續及脈衝的輸出中已經被証實有超過500nm的可調範圍而中心在800nm左右有相當高的效率，為了發展使適合工業用的雷射系統及雷射特質，所以有許多不同的雷射製程已被研發出來。
（第五部分）
4．Ti:
Sapphirelaser的基本參數
材料與雷射性質
化學式
Ti3+:
Al2O3
晶體結構
Hexagonal六方
折射率n
1.76
密度，g/cm3
3.98
硬度，Mohs
9
熱傳導，cal/cm-s-deg
0.11
比熱，cal/g．k
0.18
雷射操運作方式
4-levelelectron-phononsystem
放射生命週期mks
3.2
Absorption（pumpband）,nm
400-600
雷射可調區域，nm
680-1100
吸收係數（at490nm）
cm-1
Upto4
5．Ti:
sapphirelaser以不同的operation下的的表現
IPulsedlaseroperation
1.Pumpingsource:
Q-switchedfrequency-doubleNd:
YAGlaser
Wavelength:
532nm
Pulsewidth:
10ns
Repetitionrate:
5-10Hz
Mode:
TEM00
Laserperformances:
Ti:
Al2O3rod，8.7*8.3*18.5mm3withα490=1.9cm-1
Thresholdenergy:
0.5mJ
Slopeefficiency:
55%
Energyconversionefficient:
40%
Maximumslopequantumefficiency:
82%
Tuningrange:
668-938nm
2.Pumpingsource:
excimerlaser
Wavelength:
499nm
Pulsewidth:
40ns
Repetitionrate:
2Hz
Mode:
multimode
Laserperformances:
Ti:
Al2O3rod，4*4*20mm3withα490=1.98cm-1
Thresholdenergy:
0.54mJ
Slopeefficiency:
42%
Energyconversionefficient:
59%
Maximumslopequantumefficiency:
87%
Tuningrange:
662-833nm
II.Quasi-cwlaseroperation
1.Pumpingsource:
InternalcavityQ-switchedfrequency-doubleNd:
YAGlaser
Wavelength:
522nm
Pulsewidth:
200ns
Repetitionrate:
1-10Hz
Inputpower:
0-2W
Laserperformances:
Ti:
Al2O3rod，4*4*10mm3withα490=2.8cm-1
Thresholdenergy:
0.9W
Slopeefficiency:
35%
Laseroutputpower:
300W
Tuningrange:
685-809nm
2.Pumpingsource:
coppervaporlaser
Wavelength:
510.2nm
Pulsewidth:
80ns
Repetitionrate:
5Hz
Inputpower:
1-8W
Laserperformances:
Ti:
Al2O3rod，5*5*10mm3withα490=1.5cm-1
Thresholdenergy:
0.5-0.8W
Slopeefficiency:
31%-35%
Laseroutputpower:
2.5W
Tuningrange:
750-820nm
III.CWlaseroperation
Pumpingsource:
argonionlaser
Wavelength:
488nm
Inputpower:
5-10W
Laserperformances:
Ti:
Al2O3rod，6*8*14mm3withα490=2.0cm-1
Thresholdenergy:
lessthan2.5W
Conversionefficient:
14.5%
Slopeefficiency:
41%
Laseroutputpower:
1030W
Tuningrange:
680-1010nm
6．Ti:
sapphireLaser共振腔
圖五中是一Tisapphire雷射的簡圖（圖五是一femtosecondlaser），其中以Nd:
YAG的倍頻雷射來做為幫泵，此時幫泵雷射的波長為537nm，距離TiSapphire雷射晶體的吸收峰值490nm相當近，故是一種很好的幫泵。
圖五Ti:
sapphirelaser
7．極短脈衝
在提到Tisapphire雷射是一種可以造出極短脈衝之前，我們先來看看雷射分類，雷射或許可分為兩類
（1）連續波（CW）
（2）脈衝。
一連續波雷射的功率輸出隨時間產生微小或沒有不規則波動。
它顯示同調能量的穩定流動；氦氖和氬氣雷射就是典型例子，其為在“連續波模式”中的操作。
大部分的雷射輸出光束呈不規則波動，這光束功率隨時間的改變是非常明顯的方式，其為在“脈衝模式”的操作時所產生的情形。
Nd:
YAG固體雷射和二氧化碳氣體雷射是很平常的例子，但不是一直在脈波模式中操作（Nd:
YAG及二氣化碳氣體雷射可作連續輸出）。
脈衝雷射操作可以脈波長度和製造脈波的方法來細分，以下是脈衝雷射的三個基本操作模式：
●一般脈衝模式
●Q－開關模式
●極短脈衝模式（亦稱“鎖模”）
圖四一般脈波持續時間
上述三種基本的操作模式，都是Tisapphire雷射可以產生脈衝雷射操作模式，所以先就其基本原理作簡單的介紹，首先是一般脈衝模式，在下圖所示，
其為在一般脈波模式的操作下的固態雷射輸出脈衝，如一個脈衝在十分之一微秒到數微秒的持續時間內的圖形，這脈波是由許多脈波組成，每一持續時間大約50ns。
脈波總能量和脈波總持時間餘留對於雷射從一脈衝而言是一樣重要的，但是在一個脈波期間所能達到的最大輸出功率可能與下一個脈波不同，根據單位脈衝及脈衝持續時間的能量可以將雷射分類。
由這些值可以計算出粗略的最大脈衝能量。
Q-Switch開關雷射，下圖表示一Q開關雷射方塊圖，多種型式的Q開關常
HR高反射鏡Q開關活性介質輸出耦合器
Q開關雷射方塊圖
被使用，任一種型式均能適合特別型式的雷射和激發脈衝領域。
Q開關的作用就像在雷射空腔內的快門。
當快門關閉時，光線離開了活性介質被阻擋或者反射至空腔外；高反射鏡預知其沒有回授，在雷射空腔中Q開關導引充分的損失能量以阻止雷射發生，如此，此雷射的放大增益增加率必然把遠大於一般雷射的臨限值。
當Q開關打開時，雷射光始被激發，同時儲存在活性介質中的能量繼而在一烈的脈衝中放出。
由下圖可較出在Q開關模式和一般脈衝模式的脈衝雷射操作的異同。
沒有
沒有Q開關時輸出功率
放大增益
迴路增益
沒有Q開關時輸出功率
輸出功率
Q開關動作
t1Timet2
Q開關器的運作示意圖
Q開關雷射時，放增益到達激光臨限值t1時開始激光。
激光過程是將活性介質的能量以一種一般脈衝的尖峰型式輸出。
放大增益和一般脈波模式輸出功率如圖虛點所示。
對於Q開關模式的值則如實線部份所示，Q開關阻止了內部光束回授而保持迴路增益的值為零，直到儲存在活性介質中的能量到達最大值為止，上一圖中，在t2時，其放大增益比一般脈波雷射大了許多倍，因而產生了大量的居量反轉，當Q開關打開時，迴路增益迅速上升到最大值，在同一情況裡，迴路增益或許上升至數百倍，這樣大的迴路增益值使值使得在許多空腔模式中產生了強烈的駐波，同時所有的倏存能量在脈波產生時全數放出。
Q開關器的脈波持續時間範圍從數個到數百個奈秒（10-9sec），一個Q開關脈波的尖峰功率也許比沒有Q開關雷射時多了數千倍，此時Q開關減低脈波總能量，脈波寬度甚而會變得較一般的為窄。
Q開關器中的Q乃表示“品質因素（qualityfactor）”，這空腔的“品質”定義為“空腔中駐波儲存的能量與損失能量的比值”。
當一雷射Q開關器關閉時，則沒有駐波；同時品質因素為零。
當Q開關器打開時，有一強大駐波波形產生，致使能量的損失減少，Q開關器乃因其能使空腔內的“品質因素Q”由一較低值“開關-Switched”至較高值的事實而得名。
實際上，品質因素很少由雷射空腔計算而得。
機械快門的速度不如Q開關器快，完成Q開關器的最簡單機械方法為具高反射鏡比值之旋轉。
高旋轉一週的旋轉速度調整到奈秒，同時產生雷射脈波。
鎖模雷射，下圖說明一個鎖模雷射的輸出，這個輸出由連續雷射脈波組成，每一持續時間從微微秒（ps）到奈秒（ns），但需視雷射種類而定。
脈波區間為光繞雷射空腔一周所需之時間。
T=2Nl/c
功率率
時間
鎖模是由雷射空腔內所有縱模相位控制所完成，沒有鎖模（mode-locking）則所有的模式振盪與任何相位無關。
在鎖模雷射中，所有空腔模式是鎖定在空腔內同相的一點。
在這點上的建設性干涉產生了一短暫的持續時間之高功率脈波，而在空腔內的其他點上之破壞性干涉產生的功率幾乎為零。
鎖模脈波則“反彈”在兩雷射鏡之間，一部份則耦合輸出。
關於如何產生雷射脈衝的技術簡單述敘如上，由調Q雷射裝置能得到毫微秒量級的雷射脈衝，而鎖模雷射裝置能得到微微秒量級的雷射脈衝，也就是說，鎖模雷射裝置能產生兆兆瓦的峰值功率，從鎖模雷射的理論可知，假若雷射輸出波長的範圍愈大，則由鎖模技術所產生的脈衝時間則愈短，而Tisapphire雷射放射波長範圍在紅外光區，且它的幅射寬帶亦相當寬，大約延伸有400nm長，從650到1100nm，因此以鎖模技術的裝置，則Tisapphire雷射有能力去產生極短脈衝。
8．Ti:
sapphire雷射的應用
可調雷射在生活中應該很少到的見，不過對於科學界而言卻有很大的應用，像是光譜學、及光化學，其他重要的實際應用是遠端遙測、同位素分離。
而最近幾年來，可調固態雷射扮演著愈來愈重要的角色，而過去著名的染料雷射因為種種不利的因素下，幾乎完全被取代了。
遠端遙測 我們稱此種以脈衝雷射來測量距離的方去為“脈波測距法”，此乃利用高功率雷射送出一脈波，由於脈衝極短，所以不必擔心反射的脈衝干擾，該脈波經遠距離的物體反射後傳回，計算由送出到收到脈波的時間差，即可獲知距離。
由於雷射光指向性高，平行度高，所以能測許多遠距離的物品，而不用擔心雜訊干擾。
這種方法常用在軍事用途的距離測量，衛星的追蹤。
9．產品
FEMTISFemtosecondTi:
sapphireLaser，這是一台高能，可調區域大的雷射，它的雷射操作模式是KerrLens鎖模。
它的內部構造簡圖如下:
此台雷射當以8W的氬離子雷射激發時，平均約有400mW的功率輸出，其可調範圍在740-980nm，且其脈衝寬度約75fs（femtosecond=10-15），頻率108Hz，在尖峰區域的脈衝可視為55fs。
這一台雷射710CWTi:
sapphirelaser是相當先進的，要激發此台雷射需要４－２０W，其峰值附近的效約為１５%。
其輸出波長如下圖：
應用：
（1）spectroscopy光譜
（2）RamanStudies
（3）Semiconductorresearch半導體研究
（4）Micro-RamanSpectroscopy
（5）Diodecharacterization二極體特性描述
（6）Fluorescence
（7）Diamondfilmanalysis
（8）Surfacecharacteristics
10．結語
除了Ti:
sapphire晶體之外，至今也有其他相似的雷射，如Cr:
LiSAF、Cr:
forsterite等，它們的特性相似，可調區域不同，但是都各有其可利用的地方，尤由是除了所出雷射特性優良外，它們本身就是良好的材料它們是全固體，且在表現上均優於染料雷射，所以是新一代的產品，目前也不斷的再改良中，而這些可調雷射如前面所說的，在學術上有相當大的貢獻，所以這些可調雷射是重要不可忽略的。
11．參考書目
1.Kan,Fu-hsi.“Lasermaterials”,Singapore:
WorldScientific,c1995.Ch12
2.Demtroder,W.,“Laserspectroscopy:
basicconceptsandinstrumentation“WolfgangDemtroder.,2ndenl.ed.,Berlin:
Springer,c1996.306-308
3.Koechner,Walter,“Solid-statelaserengineering”,4thextensivelyrev.andupdateded.,Berlin;NewYork:
Springer,c1996,Ch2
4.NATOAdvancedStudyInstituteonSolidStateLasers:
New
DevelopmentsandApplications（1992:
Tuscany,Italy）byMassimoInguscioandRichardWallenstein.NewYork:
PlenumPress,c1993.42,68,334
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