(TiAl2O3)雷射简介郭艳光.doc

題目：Ti:Sapphire(Al2O3) Laser 教授：郭艷光老師 學號：8522034 姓名：賴英傑 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+：BeAl 2O3)，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(Al 2O3)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 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(emission cross section)。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， 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Vibronic Laser)，其基態能階(ground state)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(BeAl2O4 with Cr3+ ions), titanium-sapphire (Al2O3:Ti3+) ，氟化物摻入金屬離子(eg.,Mg F2:Co++ or CsCaFs: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： 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 圖三：Spectral ranges of fluorescence for Cr3+ in different host materials Ti Cr3+ Ni2+ Mn2+ V2+ CO2+ Ti:Sapphire laser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-sapphire laser的吸收與輻射的波長分佈。 Titanium-sapphire laser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。 由於Titanium-sapphire laser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-sapphire laser是優於染料雷射的，它的功率較大，輸