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TWI528062B - 摻鈦藍寶石晶體光纖、其製作方法及其應用之寬頻光源 - Google Patents

摻鈦藍寶石晶體光纖、其製作方法及其應用之寬頻光源 Download PDF

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TWI528062B
TWI528062B TW099128797A TW99128797A TWI528062B TW I528062 B TWI528062 B TW I528062B TW 099128797 A TW099128797 A TW 099128797A TW 99128797 A TW99128797 A TW 99128797A TW I528062 B TWI528062 B TW I528062B
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sapphire crystal
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許光裕
鄭東祐
廖奕涵
黃升龍
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國立臺灣大學
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Description

摻鈦藍寶石晶體光纖、其製作方法及其應用之寬頻光源
本創作係關於一種晶體光纖，尤指一種摻鈦藍寶石晶體光纖、其製作方法及其應用之寬頻光源。
目前市面上對於摻鈦藍寶石(Ti:sapphire,Ti:Al2O3)的應用，主要係使用塊材晶體做為增益介質，應用於摻鈦藍寶石雷射之中。由於需使用高瓦數的激發光源，造成整個雷射裝置體積龐大，在實際應用上有很大的限制。
部分學術單位投入摻鈦藍寶石積體光學波導結構的開發研究，其主要係於一平板上生長摻鈦藍寶石晶體，並以蝕刻的方式將摻鈦藍寶石晶體製作成積體光學波導結構。其製程困難且複雜，且製作成品之波導的傳輸損耗相當高，距離商品化仍有很大的差距。
本發明之一目的，在於提供一種晶體光纖，尤指一種摻鈦藍寶石晶體光纖、其製作方法及其應用之寬頻光源。
本發明之另一目的，在於提供一種摻鈦藍寶石晶體光纖，包含有一摻鈦藍寶石晶體單晶之纖心及一玻璃纖衣，此光波導結構比起無纖衣之單晶光纖具有較低的傳輸損耗。
本發明之又一目的，在於提供一種摻鈦藍寶石晶體光纖，其纖心直徑小於50微米，可提高寬頻光源之發光效率。
本發明之又一目的，在於提供一種摻鈦藍寶石晶體光纖之製作方法，其主要係以雷射加熱基座生長法，可用簡易的製程將摻鈦藍寶石單晶棒提拉為一預定直徑的晶體光纖。
本發明之又一目的，在於提供一種摻鈦藍寶石晶體光纖之製作方法，以雷射加熱基座生長法進行多次拉提，可製作高品質小直徑之摻鈦藍寶石晶體光纖。
本發明之又一目的，在於提供一種摻鈦藍寶石晶體光纖之製作方法，利用雷射加熱進行摻鈦藍寶石晶體光纖之退火，可提高輸出功率。
本發明之又一目的，在於提供一種摻鈦藍寶石晶體光纖之製作方法，以雷射加熱基座生長法製作單層纖衣之摻鈦藍寶石晶體光纖，可降低傳輸損耗並提高輸出功率。
本發明之又一目的，在於提供一種使用摻鈦藍寶石晶體光纖之寬頻光源裝置，其主要係使用單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖，可用以製作寬頻光源。
本發明之又一目的，在於提供一種使用摻鈦藍寶石晶體光纖之寬頻光源裝置，使用單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖，可大幅縮小裝置之體積，提昇發光效率，降低光對準的要求，增加系統穩定度。
本發明之又一目的，在於提供一種使用摻鈦藍寶石晶體光纖之寬頻光源裝置，其激發光源係為波長532奈米之倍頻雷射，或藍光二極體雷射。
為達成上述目的，本發明提供一種摻鈦藍寶石晶體光纖，包含有：一纖心，為鈦藍寶石(Ti:sapphire)之單晶；及一纖衣，包覆於該纖心之外層。
本發明尚提供一種摻鈦藍寶石晶體光纖之製作方法，包含有：提供一摻鈦藍寶石單晶棒；以雷射加熱基座生長法將該單晶棒提拉為一預定直徑之晶體光纖；將該晶體光纖進行退火處理；提供一玻璃毛細管，並將該晶體光纖置入該玻璃毛細管中；及以雷射加熱基座生長法將包覆於玻璃毛細管中之晶體光纖生長成為單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖。
本發明尚提供一種使用摻鈦藍寶石晶體光纖之寬頻光源裝置，包含有：一單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖；一激發光源，用以提供一激發光束至該晶體光纖之一端。
請參閱第1圖及第2圖，係分別為本發明一較佳實施例以雷射加熱基座生長法(Laser-Heated Pedestal Growth method;LHPG)製作及晶體光纖提拉之示意圖。如圖所示，本發明之摻鈦藍寶石(Ti:sapphire,Ti:Al2O3)晶體光纖主要係以雷射加熱基座生長法製作。其主要係於雷射加熱裝置10中，以第一治具181夾持一摻鈦藍寶石單晶棒22，以第二治具183夾持一子晶24。
將二氧化碳雷射產生之雷射光束11導入雷射加熱裝置10後，以第一圓錐面鏡121及第二圓錐面鏡123將平行光束轉換為環形光束，經反射鏡14反射至拋物面鏡16，聚焦於摻鈦藍寶石單晶棒22之端面上。
摻鈦藍寶石單晶棒22之端面因雷射光束之加熱而開始熔融而形成一熔融區221。此時，令子晶24接觸該熔融區221，再緩慢將該子晶24往上拉，並以更慢的速度將摻鈦藍寶石單晶棒22向上推送，則可生長出與該子晶24晶向相同之晶體光纖26。利用不同的拉提子晶24與推送單晶棒22之速度比，可得到不同的縮徑比。例如，若提拉子晶24之速度與推送單晶棒22之速度比為16：1，則長出之晶體光纖26與單晶棒22之直徑比為1：4。
一般由摻鈦藍寶石單晶塊材切割所得之單晶棒約為500μm×500μm之方棒，為獲得較佳品質且較細直徑的晶體光纖，可進行兩次、三次或多次的雷射加熱基座生長法提拉縮徑。例如先將單晶方棒提拉為直徑250微米至320微米之晶體光纖，再提拉縮徑至直徑80微米至180微米，然後再提拉縮徑至直徑小於50微米。
請參閱第3圖，係本發明一較佳實施例之退火(Annealing)示意圖。由於摻鈦藍寶石晶體光纖中主要係由三價鈦(Ti3+)被激發後產生螢光，而在雷射加熱基座生長法提拉縮徑的過程中，部分Ti3+將被氧化為四價鈦(Ti4+)而無法產生螢光。此外，三價與四價鈦離子會形成配對造成中心波長在800 nm寬波段之吸收，恰好與螢光波段重疊，會嚴重影響光學效率。因此，將摻鈦藍寶石晶體光纖提拉縮徑至預定直徑後，需進行退火程序，藉以將Ti4+還原為Ti3+。
其中，退火程序可利用高溫爐實施，亦即將摻鈦藍寶石晶體光纖置入高溫爐中，並將爐中抽真空或充入氫氣與惰性氣體，再施以攝氏1600至2000度高溫進行退火。
本發明之退火程序亦可利用雷射加熱方式實施。如第3圖所示，首先將摻鈦藍寶石晶體光纖26置入一高軟化點毛細管34中。可使用石英玻璃毛細管(Fused silica capillary)，其軟化點為攝氏1600度。或使用石英毛細管(Quartz capillary)，可具有更高的軟化點。將內含摻鈦藍寶石晶體光纖26之高軟化點毛細管34置入雷射加熱裝置中，高軟化點毛細管34之一端以雷射加熱融化形成封口36，並由另一端進行抽真空38，或可再充入氫氣與惰性氣體。令雷射光束11聚焦於摻鈦藍寶石晶體光纖26，將摻鈦藍寶石晶體光纖26加熱至高軟化點毛細管可承受之最高溫度。
令摻鈦藍寶石晶體光纖26與高軟化點毛細管34緩慢移動，藉以對摻鈦藍寶石晶體光纖26之各部進行退火，退火環境可為在真空下或是在受控制之無氧環境中，而退火後之摻鈦藍寶石晶體光纖32則具有較多的Ti3+，可藉以產生較強的寬頻螢光。
請參閱第4圖，係本發明單層纖衣之製作示意圖。將退火後之摻鈦藍寶石晶體光纖32置入一玻璃毛細管中。此玻璃毛細管可選擇為硼玻璃毛細管(Borosilicate capillary)42或其他軟化點低於攝氏1000度之光學玻璃。將內含已退火摻鈦藍寶石晶體光纖32之硼玻璃毛細管42置入雷射加熱裝置中，硼玻璃毛細管42之一端以雷射加熱形成封口46，並由另一端進行抽真空48，令雷射光束11聚焦於退火後之摻鈦藍寶石晶體光纖32加熱至硼玻璃毛細管42之軟化溫度以上。
軟化之硼玻璃毛細管42將因內部真空及外部的壓力差而貼附於退火後之摻鈦藍寶石晶體光纖32上，形成單層纖衣44。令退火後之摻鈦藍寶石晶體光纖32與硼玻璃毛細管42緩慢移動，藉以對退火後之摻鈦藍寶石晶體光纖32之各部加熱，而可完成單層纖衣之包覆。
單層纖衣結構之摻鈦藍寶石晶體光纖，其纖心之折射率大於纖衣44之折射率，可形成光波導結構。
請參閱第5圖，係本發明單層纖衣晶體光纖之製作方法流程圖。如圖所示，本發明之之製作方法包含有下列步驟，首先提供一摻鈦藍寶石單晶棒，如步驟501。將該單晶棒以雷射加熱基座生長法進行多次提拉縮徑，藉以長成預定直徑之摻鈦藍寶石晶體光纖，例如直徑10微米至50微米，如步驟503。
將預定直徑之摻鈦藍寶石晶體光纖進行退火程序，可選擇以高溫爐實施退火，亦可以雷射加熱進行退火，如步驟505。之後將退火後之摻鈦藍寶石晶體光纖置入一適當口徑(例如內徑50至100微米，外徑80至170微米)之玻璃毛細管中，如步驟507。
最後，將包覆於玻璃毛細管中之摻鈦藍寶石晶體光纖以雷射加熱基座生長法生長為單層纖衣之摻鈦藍寶石晶體光纖，如步驟509。其中，該玻璃毛細管係可選擇為軟化溫度低於攝氏1000度之光學玻璃材質，例如硼玻璃毛細管。
請參閱第6圖，係本發明寬頻光源裝置一較佳實施例之示意圖。如圖所示，本發明之寬頻光源裝置60包含有一單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖68、一激發光源62。
其中，激發光源62係用以提供一激發光束621。該激發光源62係以波長532奈米之倍頻雷射或波長446奈米之藍光雷射二極體為較佳。單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖68則如前述纖心直徑小於50微米為較佳。
該寬頻光源裝置60尚可包含有一聚焦單元661，設置於激發光源62與單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖68之間，用以將激發光束621聚焦至單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖68之纖心。纖心中之Ti3+吸收激發光後發出寬頻螢光，並於單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖68之光波導結構中產生自輻射放大的效果，最後由晶體光纖68之另一端發出寬頻光束681。
該寬頻光源裝置60尚可包含有一第一濾光片641，設於晶體光纖68之另一端。藉由第一濾光片641濾除殘餘的激發光之後，即可將該寬頻光束681加以運用。
此外，尚可於激發光源62與晶體光纖68之間增設一第二濾光片643，用以濾除532奈米二倍頻雷射輸出中不要的808奈米與1064奈米殘留光。單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖68與第一濾光片641之間亦可增設一準直單元663，用以準直該寬頻光束681，可利於後端對於寬頻光束681之運用。
請參閱第7圖，係本發明單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖之功率圖。如圖所示，使用本發明之單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖，當激發光之吸收功率為136 mW時，其寬頻光束之輸出功率可達到213μW。其功率之轉換效率約為1.5×10-3。
請參閱第8圖，係本發明單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖之輸出頻譜圖。如圖所示，本發明之單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖，其產出之螢光中心波長為759奈米，頻寬(半高寬或3-dB bandwidth)為181奈米，光譜涵蓋670至850奈米波段，在空氣中之同調長度為1.45微米。其頻譜主要分佈於近紅外光區域，恰為人體組織吸收最少的部分，故適合應用於光學同調斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)。且光學斷層掃描之縱向解析度可達1.45微米，又其頻譜之量測值82係如圖8所示，其強度分佈與高斯擬合(Gaussian fit)84之分佈極為接近，此完美之高斯波形可造成此寬頻光源應用在光學斷層掃描術之干涉訊號之旁波帶(side lobes)極為微小，及其縱向影像之串音(cross-talk)極小，可實現高畫質的三維影像。實為一極佳之寬頻光源。
以上所述者，僅為本發明之實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵、方法及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10．．．雷射加熱裝置
11．．．雷射光束
121．．．第一圓錐面鏡
123．．．第二圓錐面鏡
14．．．反射鏡
16．．．拋物面鏡
181．．．第一治具
183．．．第二治具
22．．．摻鈦藍寶石單晶棒
221．．．熔融區
24．．．子晶
26．．．晶體光纖
32．．．退火後之摻鈦藍寶石晶體光纖
34．．．高軟化點毛細管
36．．．封口
38．．．抽真空
42．．．硼玻璃毛細管
44．．．單層纖衣
46．．．封口
48．．．抽真空
60．．．寬頻光源裝置
62．．．激發光源
621．．．激發光束
641．．．第一濾光片
643．．．第二濾光片
661．．．聚焦單元
663．．．準直單元
68．．．單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖
681．．．寬頻光束
82．．．量測值
84．．．高斯擬合
第1圖：係本發明一較佳實施例以雷射加熱基座生長法製作之示意圖。
第2圖：係本發明一較佳實施例之晶體光纖提拉示意圖。
第3圖：係本發明一較佳實施例之退火示意圖。
第4圖：係本發明單層纖衣之製作示意圖。
第5圖：係本發明單層纖衣晶體光纖之製作方法流程圖。
第6圖：係本發明寬頻光源裝置一較佳實施例之示意圖。
第7圖：係本發明單層纖衣晶體光纖之功率圖。
第8圖：係本發明單層纖衣晶體光纖之輸出頻譜圖。
60．．．寬頻光源裝置
62．．．激發光源
621．．．激發光束
641．．．第一濾光片
643．．．第二濾光片
661．．．聚焦單元
663．．．準直單元
68．．．單層纖衣摻鈦藍寶石晶體光纖
681．．．寬頻光束

Claims (4)

  1. 一種摻鈦藍寶石晶體光纖，包含有：一纖心，為經退火之鈦藍寶石(Ti：sapphire)之單晶，具有一第一折射率，並定義一第一外表面；及一纖衣，與纖心不同材質，具有一第二折射率，該纖衣定義一第二內表面，包覆於該纖心之第一外表面之外部，該第一外表面與第二內表面定義一層狀折射介面；其中，該第二折射率與第一折射率不同。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之摻鈦藍寶石晶體光纖，其中該纖心之直徑小於50微米。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之摻鈦藍寶石晶體光纖，其中該纖衣係為硼玻璃材質。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之摻鈦藍寶石晶體光纖，其中該纖衣係為軟化點低於攝氏1000度之光學玻璃。
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