臺灣博碩士論文加值系統

本論文主要研究藉由LHPG(Laser-heated Pedestal Growth)法以及抽絲塔生長法(Drawing Tower)生長之Cr:YAG 晶體光纖。其中LHPG 法藉由更換生長參數，可以成功地生長出不同拉製速度與不同纖心直徑之Cr:YAG 晶體光纖。若以Fused-silica玻璃包覆Cr:YAG 共同生長技術，可得到具有內(YAG+SiO2)、外(SiO2)層纖衣波導結構之雙層Cr:YAG 晶體光纖。另由改善抽絲塔生長法製程，加入負壓控制系統來提升晶纖品質，以達生長真圓度較高之單模晶體光纖。然而為了更了解此種晶體光纖之顯微結構及其於不同生長參數下的變化，本論文亦將藉由高解析穿透式電子顯微鏡(High-resolution Transmission Electron Microscopy，HRTEM)來分析兩種製程下之Cr:YAG 晶體光纖，其中HRTEM 影像提供LHPG 之內、外層纖衣介面與纖心之奈米尺度微結構，及抽絲塔法纖衣介面與纖心之奈米尺度微結構資訊。另更進一步分析Cr:YAG 晶體光纖於拉製過程中，Cr3+:γ-Al2O3奈米結晶相之擴散過程對晶體光纖傳輸特性之影響，故本論文主要藉由結構之微觀變化來了解晶體光纖之傳輸特性。

The Cr：YAG crystal fiber grown by using the LHPG(Laser-heated Pedestal Growth) method and the Drawing Tower growth method is studied in this thesis.With changing the growth parameters in LHPG(Laser-heated Pedestal Growth) method,the Cr：YAG crystal fiber can be successfully grown in different growth speed and different fiber core diameter.The double cladding Cr：YAG crystal fiber has inner cladding of (YAG＋SiO2) and outter cladding of (SiO2) with waveguide structure can be grown by fused-silica coated with Cr：YAG crystal fiber.The Drawing Tower method with adding negative pressure control system can improve the fiber’s quality and produce the true roundness of the single mode crystal fiber.In order to understand the relation between the micro structure of Cr：YAG crystal fibers and the different growth conditions,the high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) had been used to analysis Cr：YAG crystal fibers grown from the Laser-heated Pedestal Growth (LHPG) and Drawing Tower methods,which reveal the nano-scale information in the core region,the interface of inner cladding,and the influence of inter-diffusion process during grown.During the growth of Cr：YAG crystal fiber,the further analysis had been done about the effect of the Cr3+：γ-Al2O3 nano crystalline on the optical transmission characteristic.In this study, the main topic focuson the different crystal fiber optical properties with the various microstructures of the crystal fiber.

中文摘要I
英文摘要II
誌謝IV
目錄V
圖目錄VIII
表目錄XIII
第一章 序論1
1.1 介紹1
1.2 研究動機2
1.3 論文簡介4
第二章 Cr:YAG 晶體光纖特性與應用5
2.1 YAG 晶體結構5
2.2 晶體光纖中的傳輸8
2.3 晶體光纖之應用9
第三章 研究方法與步驟21
3.1 研究步驟與流程圖21
3.2 晶體光纖製程22
3.2.1 雷射加熱提拉生長法22
3.2.2 抽絲塔生長法28
3.3 研究設備與方法31
3.3.1 試樣結構介紹31
3.3.2 光學顯微鏡32
3.3.3 Cr:YAG 晶體光纖之折射率量測33
3.3.4 Cr:YAG 晶體光纖之損耗量測34
3.3.5 Cr:YAG 晶體光纖之自發輻射(ASE)量測設備35
3.3.6 熱處理(Heat Treatment)設備36
3.3.7 電子微探儀(EPMA)原理及構造37　　　　　
3.3.8 掃描式電子顯微鏡(SEM)原理及構造38
3.3.9 Cr:YAG 晶體光纖超薄(HRTEM)試片製程39
3.3.10 穿透式電子顯微鏡(HRTEM)原理及構造45
第四章 結果與討論48
4.1 Cr:YAG 晶纖纖心均勻度特性分析48
4.1.1 原始Cr:YAG 晶纖纖心均勻度分析49
4.1.2 熱處理後Cr:YAG 晶纖纖心均勻度分析51
4.1.3 Cr:YAG 晶纖纖心均勻與γ-Al203奈米結構研究54
4.2 不同製程下Cr:YAG 晶體光纖特性研究58
4.2.1 電子微探儀成份分析58
4.2.2 折射率量測分析61
4.2.3 損耗率量測分析63
4.2.4 ASE 量測分析64
4.2.5 γ-Al203奈米結構變化分析65
4.3 γ-Al203奈米結構和傳輸損耗之綜合討論70
第五章 結論與未來研究工作72
參考文獻73
圖目錄
圖1-1 光纖損耗圖2
圖2-1 Garnet 原子結構圖5
圖2-2 Cr：YAG 晶體單一晶格結構圖7
圖2-3 光線傳輸於階式折射率光纖之示意圖9
圖2-4 Cr:YAG 自發輻射頻譜11
圖2-5 摻鎳矽玻璃化合物的自發輻射與溫度的關係圖12
圖2-6 雷射共振腔示意圖(a)半對稱式共振腔(b)平行－平行共振腔13
圖2-7 反推於Cr:YAG 晶體光纖輸入端之反射率16
圖2-8 反推於Cr:YAG 晶體光纖輸出端之反射率16
圖2-9 Yb 光纖雷射聚焦後之光腰與焦距關係圖17
圖2-10 OCT 之架構18
圖2-11 OCT 依次掃瞄試片之量測示意圖19
圖2-12 光於生物組織內之行進示意圖20
圖2-13 生物組織對光譜上吸收20
圖3-1 研究流程圖21
圖3-2 雷射加熱基座生長法示意圖22
圖3-3 雷射加熱基座生長系統示意圖23
圖3-4 雷射加熱基座生長系統腔體示意圖23
圖3-5 新版功率回授系統連線方式24
圖3-6 新舊功率回授操作下雷射穩定度的比較25
圖3-7 Sapphire tube 熱輻射加熱生長示意圖26
圖3-8 Sapphire tube 熱輻射加熱生長截面示意圖27
圖3-9 Sapphire tube 熱輻射加熱之橫向一維溫度曲線模擬27
圖3-10 Sapphire tube 生長對於纖心起伏之改善28
圖3-11 抽絲塔示意圖29
圖3-12 加負壓示意圖29
圖3-13 第二代預型體示意圖30
圖3-14 Cr:YAG 預型體示意圖31
圖3-15 (a) 抽絲塔生長法晶體光纖之側照圖(b) LHPG 生長法晶體光纖之側照圖31
圖3-16 光學顯微鏡架構圖32
圖3-17 晶纖放大100倍示意圖33
圖3-18 晶纖五點取樣示意圖33
圖3-19 晶纖取樣示意圖33
圖3-20 反射式折射率量測架構34
圖3-21 傳輸損耗量測之架構圖35
圖3-22 單層纖衣量測系統架構示意圖35
圖3-23 退火爐示意圖36
圖3-24 退火爐流程圖36
圖3-25 二次電子散射示意圖37
圖3-26 EPMA 架構示意圖38
圖3-27 SEM 主要構造示意圖38
圖3-28 晶體光纖鑲埋示意圖40
圖3-29 Ion miller 內部結構圖43
圖3-30 (a)與(c)分別為單層纖衣之Cr:YAG 晶體光纖TEM 試片在離子束減薄前的端面500x的拍照圖(b)與(d)分別為離子束減薄後的端面200x的端面圖43
圖3-31 Cr:YAG 晶體光纖之超薄HRTEM 試片製作流程圖44
圖3-32 為TEM 構造之簡圖46
圖3-33 SAD 電子繞射原理47
圖3-34 (a) BF 與 (b) DF 之成像原理47
圖4-1 (a) LHPG 雙層纖衣晶體光纖側照圖(b) LHPG 雙層纖衣晶體光纖剖面圖48
圖4-2 (a) 抽絲塔單層纖衣晶體光纖側照圖(b) 抽絲塔單層纖衣晶體光纖剖面圖48
圖4-3 LHPG 法下晶纖纖心變動率(a)without Sapphire tube(b)with Sapphire tube50
圖4-4 抽絲塔法下晶纖纖心變動率(a)27 μm纖心直徑 (b)13 μm 纖心直徑51
圖4-5 抽絲塔法拉製晶纖經700℃退火後，纖心直徑變動率(a)13 μm纖心直徑(b)27 μm纖心直徑52
圖4-6 抽絲塔法拉製晶纖經800℃退火後，纖心直徑變動率(a)13 μm纖心直徑 (b)27 μm纖心直徑52
圖4-7 抽絲塔法拉製晶纖經900℃退火後，纖心直徑變動率(a)13 μm纖心直徑 (b)27 μm纖心直徑52
圖4-8 抽絲塔法拉製下直徑為13 μm不同熱退火下比較圖表53
圖4-9 抽絲塔法拉製下直徑為27 μm不同熱退火下比較圖表53
圖4-10 氣體在P-T（壓力-溫度）軸上的相圖55
圖4-11 熔液為正溫度梯度時對固液界面生長的影響57
圖4-12 固液界面的生長(a)平面生長(b)樹枝狀生長57
圖4-13 熔液為負溫度梯度時對固液界面生長的影響57
圖4-14 纖心直徑為26 μm之掺鉻光纖成分分析圖59
圖4-15 纖心直徑為16 μm之掺鉻光纖成分分析圖59
圖4-16 纖心直徑為5 μm之掺鉻光纖成分分析圖59
圖4-17 (a)雙層纖衣晶體光纖SEM 端面圖，纖心直徑為16 μm內層纖衣直徑為90 μm(b)雙層纖衣之晶體光纖成分濃度分佈圖60
圖4-18 纖心直徑為26 μm折射率分佈圖62
圖4-19 纖心直徑為16 μm折射率分佈圖62
圖4-20 纖心直徑為5 μm折射率分佈圖62
圖4-21 Cr:YAG 雙層纖衣晶體光纖之折射率變化63
圖4-22 掺鉻光纖傳輸損耗64
圖4-23 雙層纖衣晶體光纖輸出之ASE 量測及模擬64
圖4-24 LHPG 生長法所生長雙層纖衣晶體光纖65
圖4-25 晶體光纖纖心處之擇區繞射圖66
圖4-26 雙層纖衣中內纖衣結晶結構生長過程66
圖4-27 (a) 抽絲塔單層纖衣直徑為16 μm拋光後端面圖(b) 單層纖衣直徑為16 μm的纖芯內部之HRTEM 影像(c) 單層纖衣直徑為16 μm的纖芯邊緣之HRTEM 影像67
圖4-28 抽絲塔法拉製下直徑為27 μm之單層纖衣端面拋光圖以及(a)(b)兩處之HRTEM 影像68
圖4-29 (a) 抽絲塔法拉製下直徑為5 μm纖芯示意圖(b) 單層纖衣5 μm接近纖芯2.5 μm之HRTEM 影像(c) 單層纖衣5 μm纖芯與纖衣介面之HRTEM 影像68
圖4-30 (a) 抽絲塔法拉製下直徑為5 μm纖芯示意圖(b) 單層纖衣5 μm接近纖芯1 μm之HRTEM 影像(c) 實線區域放大之HRTEM 影像69
表目錄
表2-1 YAG 晶體特性與原子排列位置6
表2-2 Cr：YAG 晶體的光學熱物理特性7
表2-3 各種產生寬頻光源方法之比較11
表2-4 Cr:YAG 晶體光纖輸出端與輸入端之膜厚堆疊設計15
表2-5 鍍膜製程參數與量測結果對照表16
表4-1 不同粗細摻鉻光纖中心成分表60
表4-2 對不同纖心大小量化後之表格70

中文部份
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英文部份
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