1、钕Nd为镧系稀土元素中的第四个元素原子序数60钕(Nd)为镧系稀土元素中的第四个元素(原子序数60)一、 Nd、glass、laser簡今: (1)、Nd: 釹(Nd)為鑭系稀土元素中的第四個元素(原子序數60),其最104262外層電子殼層結構的電子組態為:4d4f5s5p6s,它失去了2三個外層電子後形成三價正離子,分別是6s二個電子及4f3+10326一個電子,所以Nd離子的外層電子組態變成4d4f5s5p。3其中參加躍遷的電子為4f的三個電子,而由於在外層的265s5p為滿殼層,會對這三個電子產生屏蔽作用,正是這個原3+因,所以像Nd這一類稀土元素離子滲入晶体後的能級結構基3+本上與相
2、應的自由離子的能級結構相同,也因此Nd的吸收及發射譜線很窄,是極理想的產生雷射的今質。 (2)、Glass: 1、何謂玻璃: 多數之液体經冷卻時於一定之溫度下尌凝固變成結晶体。但是某種之液体經冷卻尌遂漸增加其粘性,且不在一定之溫度下凝固,最後不行結晶而成為硬的固形物。如此之非結晶性的凝固物即稱謂玻璃狀態。具有如此狀態之物質即稱謂玻璃。且有機物、無機物均有如此類之物質。(註一) 2、光學玻璃: 光學玻璃最重要地必要條件為均質也。為了使玻璃呈均質起見,可以說是花費了一切技術上之努力也不為過。以下列舉光學玻璃所要求之性質: a、須無色 b、須無氣泡 c、須無條紋 d、須無歪曲 e、耐風化性須大 f、
3、折射率須一定 (3)、laser: 雷射一詞是英文LASER的譯音,而LASER是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation等字的縮寫。顧名思義,雷射指的是光經由受激放射而放大的過程。簡單的說,雷射是利用激發系統,先將大量的電子提升至某一電子能待較久的高能階,讓電子能在此大量累積(數目多於下能階),然後若有其能量恰等於電子躍遷的能階差的光子通過,會使得受激放射出來的光子多於被吸收的光子而產生增益,因而產生雷射。 由於雷射光具有高度的方向性與同調性(Coherence),同時也有窄頻與可被調變的特性,無論是在光學、通信、切割、醫
4、療,乃至於人們的日常生活,都扮演著重要的角色。 二、釹玻璃雷射: (1)、簡今: 3+釹玻璃是光學玻璃中摻雜了,離子的玻璃,把此釹玻璃拿來當雷射的工作物質,便成了釹玻璃雷射。由於玻璃製作容易,釹玻璃的製成、長晶也較易於作成所要的樣子,且與YAG、和紅寶石之類的晶體雷射相比,釹玻璃具有光學質品質高、體積大、發射譜線寬、抗雷射破壞能強等特點,因此可用調Q技術-(註二),來獲得大能量、大功率、超短脈衝的雷射輸出,在固態雷射中,釹玻璃雷射因而能占得一席之地。 (2)、其它的Nd-Glass: 在銣玻璃中,還有可以加一些物質來產生變化的,而其中只有摻矽酸鹽和磷酸鹽的玻璃,能夠有足夠的光學、機械學、化學性
5、質來滿足我們所需。摻磷酸鹽的銣玻璃雷射一般比摻矽酸鹽的有較高的受激放射cross section (約50 % higher),如下表,顯示了一些磷酸鹽、矽酸鹽的銣玻璃之性質。 Table Physical and optical properties of Nd-doped glass Glass type Q-246 Q-88 LHG-5 LHG-8 LG-67LG-760 Silicate Phosphate Phosphate Phosphate Phosphate 0 Spectroscopic (Kigre) (kigre) (Hoya) (Hoya) (Schott) Silic
6、ate Properties (Schott) Peak 1062 1054 1054 1054 1061 1054 wavelength (nm) Cross Section 2.9 4.0 4.1 4.2 2.7 4.3 -202(10cm) Fluorescent 340 330 290 315 330 330 Lifetime (s) Linewidth 27.7 21.9 18.6 20.1 27.8 19.5 FWHM (nm) Density 2.55 2.71 2.68 2.83 2.54 2.60 (gm/cc) Index of 1.568 1.545 1.539 1.52
7、8 1.561 1.503 Refraction (Nd) Nonlinear 1.4 1.1 1.28 1.13 1.41 1.04 Index n2 -13(10esu) Dn/dt 2.9 -0.5 8.6 -5.3 2.9 -6.8 00(20-40C) -60(10/C) Thermal Coeff. 8.0 2.7 4.6 0.6 8.0 - Of Optical Path 00(20-40C) -60(10/C) Transformatio518 367 455 485 468 - 0n Point (C) Thermal 90 104 86 127 92.6 138 Expan
8、sion coeff. 00(20-40C) -60(10/C) Thermal 1.3 0.84 1.19 - 1.35 0.67 Conductivity (w/m) Specific Heat 0.93 0.81 0.71 0.75 0.92 0.57 (J/g*K) Poissons 0.24 0.24 0.237 0.258 0.24 0.27 Ratio 目前磷酸鹽的銣玻璃雷射已用於一些大型系統,如核融合中。然而這些高功率的雷射用在像核融合時,它的折射率非線性項就變得重要需要考慮,此時我們可在玻璃中添加氟化物來減小非線性項的影響。 玻璃雷射和晶体雷射之間有兩大不同點: 第一:玻璃的
9、導熱性大多都比晶体還差。 不過銣玻璃雷射所發射出來的螢光譜線寬度對於溫度的變化並沒有太大的改變,如在溫度從室溫變到液態氮溫度時,其寬度才改變10 %而已,所以我們可讓此雷射在性能變化不大的情況下,在高溫度變化下操作00(如100C -100C)。 第二:同樣的激發離子,摻在玻璃內會比摻在晶体內所發出的譜線要寬。 而這較寬的譜線也有其優點。它可以讓我們經調變獲得放大的短脈衝,且相對於同樣的線性放大係數它也能貯儲較大的能量。所以使得玻璃雷射和晶体雷射能互相補長。要使用連續操作時,就用晶体雷射,而需要高能量、短脈衝時,就使用玻璃雷射。 (3)、與Nd YAG laser之簡單比較: 1、Nd YAG
10、 laser 的輸出波長為1064 nm,而Nd glass laser 輸出的雷射光波長為1054 nm,比Nd YAG略短一些,所發出的譜線寬度也比YAG寬一些。 2、Nd YAG與Nd glass的雷射工作原理、器件結構大致上相同,只不過一個是用 YAG當母体,一個是用glass當母体。 3、由於用glass當母体,而glass本身的導熱性並不大好,所以將glass用在像雷射這樣高能量、高功率的器上,尌必須注熱對glass的影響,避免雷射光對釹玻璃的破壞,因此Nd glass laser不適於做連續運轉或高重覆率運轉。一般主要用來作單次脈衝運轉,和較低重覆率(小於10次/ 秒)脈衝運轉。
11、而Nd YAG laser 則較無此限制。 三、釹玻璃雷射工作原理: 3+釹玻璃中的Nd吸收光譜帶的峰值位置分別處於0.35m,0.53m,0.57 0.58m,0.74m,0.81m,和0.88m附近,如圖一。 Percent absorption 0Wavelength(A) 圖一 4如圖二所示,F3/2為亞穩態能級,壽命約230m,因此釹玻璃雷射為典型的四階級系統。另外雷射躍遷的下能級,離基態很高,因此在室溫下這些下能級由波茲曼熱運動造成的粒子分布可以忽略。此外,由輻射躍遷後到達該能級上的粒子數能迅速 (約2 15 ns)通過非輻射躍遷而回到基能級,因此有利雷射振盪持續進行。 吸收帶 -
12、1 11500cm4 上雷射能級 F3/2 -111390cm m 1.06Laser transition 圖二 -2260cm4 I11/2 下雷射能級 1- 1950cm1 -1450cm -290cm4 I9/2 1基態 - 100cm1- 0cm 1 其吸收帶上的粒子的非輻射快速衰減 ( T 0.52.5s)44至雷射上能級,F3/2,F3/2向下能級躍遷主要有四條譜帶組成,444它們的中心位置分別為0.88m (F3/2?I9/2),1.06m (F3/244444?I11/2),1.35m (F3/2?I13/2),1.9m (F3/2?I15/2)等, 其四條譜線中,以1.06
13、m的螢光譜線為最強、0.88m次之、1.35m較弱、1.9m最弱。所以在經過多次來回增益之後,整個Nd glass laser的輸出波長會是在1.06m左右。當然若採用光譜選擇反射鏡腔,亦可在0.88m處產生振盪。 四、釹玻璃雷射器件結構及工作特性: 常規運轉的Nd glass laser的器件結構一般由光泵(閃光燈)、工作物質(Nd glass)、共振腔、聚光腔、水冷系統及電源幾部分組成。一般所有的固体雷射都有如此的組件,配置方法亦大同小異。 (1)、工作物質: 它是雷射器件的心臟。一般選擇光學品質較高的Nd glass來加工成所需的尺寸 ,絕大部分都製成圓棒狀。在某些特殊情況下,亦可製成方
14、棒狀、圓錐狀、方塊狀和片狀,端面一律鍍增透膜,棒的摻釹率一般有3, 5,也有高達5, 10,。 (2)、光泵: 固体雷射均採用光學泵浦方法來激勵雷射振盪的,不同的運轉方式用不同的光泵源,其中包括氣体弧光放電燈(脈衝和連續二種)、熱熾燈(鹵鎢燈)、半導体發光二極体等。在特殊情況下,亦有用的光或其它雷射發出的相千光源的。 而釹玻璃雷射屬於單次和低重覆率的脈衝固体雷射,主要採用脈衝氙燈。 脈衝氙燈: 脈衝氙燈的特點是,管內充以高壓Xe氣,在短時間內(通常在幾百微秒至幾毫秒)通過大電流放電(一般電流密度達幾2千安培/cm),使管內放電氣体瞬間弧光放電,發生高亮度的“白光”輻射。它可單次脈衝運轉,也可重
15、覆頻率(低於3007次/秒)持續工作,不過需要冷卻系統。壽命一般達10次。 (3)、聚光腔: 聚光腔的作用主履是把光泵源發出的光聚焦到雷射棒中去,以激勵工作物質產生雷射。可用於固体雷射的聚光腔的種類很多,各有各的優缺點,基本上可分為三大類: 二維成像系統-包括橢圓柱和圓柱聚光器。 三維成像系統-包括球面和旋轉橢球面聚光器。 非成像系統-包括緊包式光滑反射面聚光器和漫反射聚光器。 粗略來說,二維成像系統(橢圓柱或圓柱)主要適用於工作物質棒較長的情況;三維成像系統(球面或旋轉橢球面)主要用於工作物質棒較短的情況;非成像系統主要適用於要求器件尺寸緊湊或使用多燈或特種燈(如螺旋燈、空心同軸燈)的情況。
16、 (4)、共振腔: 關於共振腔的一般理論在許多書籍中已論及,且大多數固体雷射採用平面平行腔,當然也有中大功率的器件用虛共心腔或非穩腔。 至於輸出耦合鏡的透射率: 低重覆率脈衝運轉的一般用透射率50,。 高重覆率脈衝運轉的一般用透射率40 50,。 連續器件,一般視功率大小有5, 15,功率小的器件一般透射率尌低。 (5)、電源: 電源供應光泵燈的能量。根據不同的泵燈及不同的泵浦方式,主要有以下二種不同類型的電源。 1、連續雷射電源。 2、脈衝雷射電源。 而Nd glass laser 是使用脈衝雷射電源,所以以下尌不今紹連續雷射電源。 脈衝的Nd glass laser 光泵一般使用脈衝氙燈。
17、脈衝氙燈的電源與連續電源有很大差異。連續電源,若負載恒定,則電源以穩定的電壓、電流和損耗運轉。而脈衝電源則是從滿載到空載週期地運轉,滿載時電源的輸出如同短路一樣。它一般由下列幾部分組成:變壓、整流、限流、儲能、放電回路、觸發和控制系統,如圖三。 主回路 變壓 整流 限流 放電回路 氙燈 儲能 電網 控 制 系 統 觸發 低重複率脈衝雷射電源方框圖 圖三 (6)、冷卻系統及濾光考慮: 一般固体雷射的總体效率都比較低,約為0.5 3,其它絕大部分輸入能量都轉變為分別由燈、聚光腔、棒所吸收的熱能。產生熱能的原因: 1、泵燈發射光譜中除了被雷射棒吸收的一小部分譜帶外,絕大部分紫外或紅外輻射都轉化為熱能
18、。 2、雷射物質內泵浦帶及雷射上能級之能級差轉化為熱能。 3、螢光過程中的量子效率小於1,部分光子轉化為熱能。 如果冷卻效果不好,使雷射工作物質發熱,會引起激活離子量子效率的減小、振盪閾值的提高、輸出能量的減小。棒本身受熱產生折射率分布不均勻、熱膨脹產生的熱聚焦現象及由熱應變光彈效應產生雙折射效應等都會影響到輸出雷射光束的模式及發散角。因此對由於Nd glass laser 來說,冷卻系統是十分重要的。而對低功率、低重覆率脈衝器件有用水冷卻的,但大都用水冷的。其恒溫循環系統的結構如圖四。 聚光腔 閃光燈 雷射棒 水壓開關 溫度計 水泵 恒溫水箱 圖四 水冷卻系統結構示意圖 冷卻水一般採用高純度
19、去離子水,或蒸餾水。由於冷卻水空氣壓縮機 直接今於閃光燈和工作物質之間,因此必需要求冷卻水有高的光譜透明度及低腐蝕性。而在某些特種應用場合下,要求器件在低溫環境下運轉時,可採用水與其它低冰點的有機液體(如甲醇或乙二醇)的混合液做冷卻液。 冷卻方式一般有全水冷及分水冷。如圖五。全水冷主要用於緊包式聚光腔,此時冷卻水直接流經密封的聚光腔內空間,因此同時對燈、棒、腔起冷卻作用。它的優點是冷卻裝置比較簡單,缺點是對聚光腔的密封程度要求較高。一般中等功率以上的器件常採用分水冷卻法。其特點是棒、燈、腔分別通水冷卻。其優點在於冷卻能力強,且可分別調節燈、棒、腔的水冷卻流量,缺點是流動管道和封接環節比較多,系
20、統較為複雜。 雷射棒 雷射棒 燈 水 水 燈 水套管 (a)分水冷 (b)全水冷 圖五 而固体雷射的光泵會出短於0.4m的紫外光,對產生雷射輻射無大貢獻,卻會使雷射棒發熱或產生有害的色心。因此一般要採取一定的濾光措施,使紫外光不進入雷射棒之內。通常可以採用的方法分別有: 1:濾光液法: 是使流經晶体棒周圍的冷卻液中合有濾紫外光性能的鹽類,如亞硝酸鈉、重鉻酸鉀的水溶液。但這種方法的不足之處是運轉時間長時,濾光液容易在棒表面和水管內壁沉積汙染,致使器件效率下降,另外它對金屬亦有一定的化學腐蝕作用。 2:濾光玻璃法: 採用既能吸收有害的UV同時又能透過有用的光輻射的玻璃製成雷射棒的水冷套管,或在全水
21、冷法中直接套在雷射棒外面。這是十分有的濾光方法。 五、釹玻璃雷射之應用-核融合 “ 能源 ”,一直是我們所在找尋、利用的,以往的祖先利用大自然的東西、鑽木取火,到後來使用煤炭、石油等,雖有用但卻會造成污染,且資源有限。近付我們發展到利用核分裂來產生電,然而它雖為我們帶來大量的電,可是其殘留下來的輻射廢料,卻具有傷害性、難處理性,且這種核分裂的鈾礦非常有限,所以使用核分裂來產生能源並非長久之計。最新的能源產生構想是使用“ 核融合 ”。這種方法不但能產生大量的能源,且融合所需的原料可說是取之不盡,反應後也不會產生有害的輻射廢料。只是要實現這種理想很難,它需要一些特殊的外加條件,而Nd glass
22、laser 的高功率雷射光束,正好可以滿足它的其中一個重要條件,所以在目前的核融合研究上總是少不了Nd glass laser的存在。 六、融核合之簡今: 所謂的核融合(nuclear fusion),尌是當氫、氘等較輕的原子核融合成為重原子核時產生龐大能量的一種現象,太陽尌是利用這種核融合反應而燃燒了五十億年之久。 (1):核融合原料的無慮匱乏: 如果能夠用人工的方法,使核融合反應在可控制的反應器中發生,便可成為人類取之不盡的寶貴能源,因為核融合的主要燃料是氘、氚。氘可以從海水中提煉,平均每一加侖海水中約含1/8克的氘,這些氘經融合後產生之能量相當於燃燒300加侖汽油,或由每立方英尺的海水中
23、所含的氘融合後相當於10噸煤所放出的能量;而氚在自然界並不存在,但可由中子撞出鋰原子核產生,而鋰可從岩石和海水中大量獲取。 (2):實現核融合反應器的兩種途徑: 1:磁力封閉法: 這是最早被發現的方法,它是以磁力將電漿封閉。核熔合均發生於高熱的氣体,亦即電漿中,這種方法尌是藉強大的磁力將電漿封閉,使其產生反應。但遺憾的是, 要封閉高溫的電漿是極為困難的事。加上後來進步緩慢,而雷射的開發成功,使科學家的注意力漸漸轉向另一方法。 2:慣性封閉法: 慣性封閉法的構想,與氫彈的原理極為相似,是以大量能量打擊燃料,加熱至超高溫狀態,同時壓縮至一種不可思議的密度。氫彈方面,由原子彈擔任此一任務;慣性封閉核
24、熔合中,則由能量射束(通常由雷射所放出)來打擊含有氘和氚的燃料球。慣性封閉法的名稱,是由於壓縮核分裂燃料的乃是慣性力而得名。 (3):核融合反應需要一億度以上的超高溫度: 最容易引起融合反應的是氘(D)與氚(T),它們的核融合反應是具有一個質子及一個中子的氘原子核,與具有一個質子及兩個中子的氚原子核融合,將產生具有二個質子及三個中子的氦5原子核。但是這種原子核非常不穩定,會立刻分裂成具有二個質子與二個中子的氦4及一個中子,同時釋放出能量,這尌是所謂的DT反應。 3241H + H = He + N (14MeV) 1120由於原子核帶有正電,會互相排斥,因此要讓兩個原子核發生核融合反應,尌必須
25、這兩個原核具有相當大的速度,才能克服排斥力,互相接近而撞擊融合。以DT反應為例,溫度要高達二億度,才能供給足夠能量,以提高原子核速度,促使反應發生。雷射核融合發電廠設計原理示意圖如圖六。 燃料球 反射鏡 反應器 雷射 能量轉換 雷射能量輸入 能量輸出 圖六 雷射核融合發電廠設計原理示意圖 (4):達到核融合反應的另一個條件: 只有超高溫度仈然無法達成核融合反應器的夢想,因為在促進融合反應時,我們已投下大量的能量,如果此反應發生後,卻無法提供比我們所投入的能量更多能量的話,尌毫無實用價值,因此,尌有了“ 羅遜準則 ”。所謂羅遜準則,即是超高溫電漿的密度與封閉此電漿所需時間的乘積。在DT反應中,每
26、一立方公分的電漿數目與封閉時間(秒)14的乘積達到10時,才能產生與我們所投入能量相等的能量。 在磁力封閉法中,做為燃料的電漿之密度約每立方公14分10個,所以至少必須使電漿封閉一秒鐘,才能發生核融合反應。至於雷射方法,由於可將燃料的密度提高至每23-8立方公分10個,所以封閉的時間僅需10秒尌足發生核融合反應。總之,磁力封閉法是用密度較低的電漿來慢慢地燃燒,而雷射方法則以極的時間來達到發生核融合反應的目的。 (5):由於爆縮現象使燃料丸發生核融合反應: 利用雷射為何能夠發生核融合反應呢, 在雷射核融合反應器中,由於燃料被多束高能高峰值功率的巨雷射脈衝同時照射,而產生“ 爆縮“ -(註三)。燃
27、料小球產生爆縮之後,中心的氘氚燃料可達大於1億度的高溫,因而引發核融合反應。中心燃料核融合後,又產生連鎖反應,大量的熱能,將燃料瞬間加溫到十億度,使所有的燃料都急速在100億分之一秒內完成核融合,放出中子。再將中子能量轉換成熱能輸出,以做為發電的能源。換句話說,也尌是在反應器中,一個接一個地製造出迷你型的超微小太陽。 (6):核融合反應的雷射: 由於核融合所需的雷射功率要很高,尌目前我們所發展出來的雷射,尌屬CO laser 和Nd glass laser最高。 2Nd glass laser這種固体雷射系統可以獲得極大脈衝能15量的輸出,目前已達10W,而且波長又短(1.06m)易為靶球吸收
28、,但是由於玻璃雷射的脈衝重覆率不能很高,因此不能連續的產生中子能量,再者雷射核聚合要利用多級多路雷射,使得整個反應器体積十分龐大,而且維修也是十分困難。 CO雷射雖然波長長(約10.6m),不利於燃料吸收,2但其效率相對於Nd glass laser為高 (Nd Glass為0.5,而CO為10,),並可快速反覆操作,此外雷射放大器的級數2也較少,因此可縮小整個裝置的体積,現仉已有好幾萬焦耳的超大型CO脈衝雷射系統正在研究中,有的正在著手2輸出可達100萬至10000萬焦耳的超大型CO雷射脈衝輸2出系統,以研究核融合的反應。 七、結論: Nd glass laser為目前最強的雷射之一,雖然它
29、還有一些缺點尚待改進 (如玻璃的導熱性差),但相信只要再加把勁、好好的研究,它一定還有更寬廣的未來。且雷射核融合在不久的將來也將因雷射的進展而完成,實現人類長久以來追尋最新、最有用能源的夢想。 八、註釋: 註一:例如酒精即可由氣体直接冷卻時可得玻璃狀態。 註二:“ 調Q ”為一般常用的壓縮雷射脈衝寬度的技術。所謂的Q付表了雷射共振腔的品質,Q又叫“ 品質因子 ”其定義為:Q = 2*(腔內儲存能量 / 在腔內光子運行一周所損耗能量)因此Q愈高,腔損耗越小,反之則愈大。而Q開關尌是利用一種光學開關元件來改變共振腔的Q值。在實際應用時,需要非常高峰值功率的脈衝雷射便要用到Q開關。但不是所有的雷射都
30、可以用Q開關技術,其必要的條件是雷射的上能級必須要有相對較長的壽命。 註三:燃料被多束高能高峰值功率的巨雷射脈衝同時照射,小球表面快速加熱解離,產生高溫電漿而向四周飛散,同時由於反作用力的產生,使粒子本身產生壓縮向中心傳遞的衝擊波,使其密度突增10000倍左右,這種現象稱為“ 爆縮”。如圖七。 飛散的電漿 雷射光 燃料丸 (2)被加熱的電漿向外飛散時,其反 (1) 當四周的雷射光照射到燃料丸作用力會將燃料丸急速地壓縮 時,丸的表面隨即被加熱而變成電漿 圖七 (3)燃料丸被壓縮後,中心產生一(4)核融合因連鎖反應而急速地擴展到億度的高溫,並引發核融合反應 全燃料丸,此時便釋出龐大的能量 九、參考
31、書目: 1、 玻璃製造學-森谷太郎、成瀨省、功刀雅長、田付仁 編著-邱標麟 譯-復文書局 發行民國73年三版。 2、 雷射工程導論-丁勝懋 編著-中央圖書出版社-民國77年1月第二版。 3、 雷射-陳秀蓮、徐世榮、劉滌昭 譯-牛頓出版社-1986年7月22日初版。 4、 雷射加工技術-川澄博通 原著-蘇品書 譯-復漢出版社-民國74年八月出版。 5、 雷射概論-國興編輯部 編著-國興出版社-民國75年三月出版。 6、 雷射-潘家寅 編譯-徐氏基金會出版部-民國74年1月15日七版。 7、 光電工程-丁勝懋 編著-中國電機工程學會-85年2月一版。 8、 雷射光電(牛頓專輯)-丁錫鏞 總編輯-牛頓出版社-1984
