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APL-3535 UV 雷射雕刻系統

UV 雷射雕刻系統

APL-3535 UV 雷射雕刻系統

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可調式脈衝紫外光雷射 (Pulsed Tunable UV Laser)
 
        質量解析臨界游離以及雙色共振二光子游離光譜實驗需要兩道可調式脈衝紫外光雷射,第一道作為激發光源,把分子自基態(S0 state)激發到第一電子激發態(S1 state),第二道則為離子化光源,把分子自第一電子激發態(S1 state)激發到離子態。因原理相同,在此以第一道可調式脈衝紫外光雷射系統為例,記述如下:
 
1、脈衝紅外光雷射
 
    第一部份是固態釹釔鋁石榴石雷射(Nd:YAG laser),當釹釔鋁石榴石吸收脈衝的高壓直流電激發氙燈所產生的強光後,其內所含的活性介質(active medium) Nd3+離子,會放出波長1064 nm的紅外雷射光。利用一組光電品質調制(Q-switch),使雷射光可以疊積高能量後瞬間放出。因此氙燈和品質調制開關的時間延遲控制,為決定雷射脈衝能量(pulse energy)的重要因素之一。由實際操作的經驗得到:在觸動激發氙燈之後大約235微秒,再行觸動品質調制,可得到最大雷射脈衝能量和最佳波形(beam profile)。
 
    基本波長1064nm經不同的HG(harmonic generator )倍頻後可變成波長532、355與266nm的雷射光。以532nm倍頻光為例,當1064nm雷射光通過特定入射角的第二型(Type II)的KD*P(potassium dideuterium phosphate)晶體後,即有部份的1064nm光被轉變成532nm的雷射光。從HG出來的532nm倍頻光與1064nm的基本波長的光同時存在,因此必需利用一組45°入射角的雙色分光鏡(Dichroic Beamsplitters)使此不同波長的光分離。雙色分光鏡上塗了一層選擇性反射的物質,將特定的波長範圍(含532nm)的光反射,其餘波長的光(含1064nm)則穿過鏡片。進行分光出來的即為純淨的特定波長(532nm)的雷射光,即來作用染料雷射的激發光源。本實驗所用的釹釔鋁石榴石雷射於1991年採購自台灣代理商惠虹公司,原廠製造商是Spectra-Physics公司(Laser Products Division, 1250 W. Middlefield Road, P.O. Box 7013, Mountain View, CA 94039-7013, Tel: (415)961-2550; Fax: (415)961-4048),產品型號為Quanta-Ray GCR-3, 脈衝頻率為10 Hz, 脈衝能量為1010 mJ/pulse @ 1064 nm; 510 mJ/pulse @ 532 nm; 305 mJ/pulse @ 355 nm; 150 mJ/pulse @ 266 nm。稍早從事的團簇離子特性研究時,經由非共振多光子游離過程產生團簇離子,常用355 nm和266nm波長的雷射光。後來的研究都利用共振多光子激發暨游離過程,因此都用532nm波長的雷射光作為染料雷射的觸動激發光源,此時倍頻晶體通常固定在HG-2座架的II/0位置,輸出的532 nm波長的雷射光呈垂直偏極(vertically polarized)。
 
2、染料雷射
 
A、基本原理
    染料雷射是被動式,需要的觸動激發光源(例如532nm波長的雷射光),其活性介質即是溶於液態溶劑(例如甲醇)的染料。在此以Rhodamine 6G(也稱為Rhodamine 590)染料來簡述產生雷射的基本原理。分子能階S0,S1,S2分別是其基態、第一及第二電子單重激發態,分子的自旋在激發態是antiparallel。T1和T2則為三重態,分子的電子自旋是parallel,因為不同自旋態間的躍遷是被禁止的,單重態到三重態的躍遷比較單重態-單重態或三重態-三重態較少發生。每一個電子單重態及三重態之上又有能階差較小(100-200 cm-1)的振轉能階,每一個振動能階又有能階差更小(<1 cm-1)的轉動能階。如此密集的振轉能階因電子態的擾動及溶劑分子的碰撞產生光譜譜線甚寬。這樣的寬譜線使染料分子的放射及吸收光譜呈連續性,因此成為可調波長的放光理想物質。
 
    從觸動激發雷射光束吸收一個光子(例如532nm),在基態的染料分子被激發到第一激發(S1)態中的某一個振轉能階,在較高激發態受到溶劑分子的碰撞經非輻射的衰減到較低的能階。經過數個柰秒(nanoseconds),染料分子藉放出一個光子來釋放過多的能量,這種輻射躍遷稱螢光,大部分分子會由此過程從激態S1衰減到基態S0。系統間的穿越(從單重態S1到三重態T1)也可能發生,大約需要數個微秒(microseconds)。從T1輻射躍遷到基態(放出磷光)是禁止的,其生命期在微秒到毫秒(milliseconds)之間,所以三重態T1就好像抓住激態分子似的,使得染料的效率降低。在三重態的部分進一步減少染料的效率尚有從T1到T2或更高的三重態的自旋允許躍遷,這些過程都會吸收激發雷射光,減低了產生螢光的效率。
 
B、染料雷射的結構
      本實驗所用的染料雷射原廠製造商是Spectra-Physics公司,產品型號為Quanta-Ray PDL-3,提供可調雷射光範圍從380到960nm,透過MCI-2的界面及驅動光柵步進馬達的功能,可使我們以電腦和自動化程式自遠端控制染料雷射輸出的波長。
染料雷射的標準結構含分光、聚焦(focus)、振盪、放大、光柵等光學元件及染料循環系統,當532nm的雷射光束被引入時,一小部(大約10%)的激發光源被分出,以柱型聚焦鏡片(cylindrical lens)聚焦後,用來激發振盪(oscillator)染料皿中的染料分子,其餘的(大約90%)激發光束被延遲一段時間(大約3ns)後激發放大(amplifier)染料皿中的染料分子。振盪腔部分尚含一個精密的單色光器結合個增益的介質、輸出的鏡片(output lens)、six-prism expender 及 一個4吋長的光柵。這種設計對只用一個光柵的系統可提供高效率、更寬的可調範圍、及更窄的輸出光波長。光柵具有分光功能,受激發所放出含一段波長範圍的光經six -prism expender 發散光束照在光柵表面的刻紋上,在特定光徑只收集到反射出特定波長的光,在振盪腔體中振盪後,因光波加強干涉的緣故,使光波的振幅加大,能量提高至能夠經輸出鏡片穿出完成受激放大的效果。輸出的光束經一個telescope的鏡組與amplifier受激後放出的光束相疊,以提高輸出的增益,因此染料雷射所輸出光的波長寬度與光柵的角度有密切的關聯。藉著使用不同染料,可透過手動或電腦控制步進馬達來設定光柵級數和光柵的角度,則可得到波長範圍從380nm到960nm間特定波長的雷射。染料雷射的輸出功率與觸動激發光源、染料分子本身、溶劑性質和濃度都有密切的關係,根據以532nm為觸動激發光源波長激發染料後,調整不同角度的光柵,測量輸出光的功率(脈衝能量),若以輸出的功率對波長作圖,可得一染料放光(或吸收)效率曲線。
當需要大波長範圍的掃描時,須使用不同的料染來得到所需的波長及功率,以R610染料為例,若以甲醇為溶劑時,其輸出的範圍是572-590nm,而最大輸出功率在波長581nm的位置,如果實驗須要掃描短波長的位置,可加入適量的鹼(例如NaOH),則最大輸出功率會藍位移到578nm的位置,反之;加適量的酸(例如HCl)則紅位移到585nm的位置。若實驗所需的波長範圍,介於兩個染料所能提供的之間,其輸出的功率都很低,且加酸、加鹼都沒辨法重疊到,則可將兩個染料依適當的比例混合後,量測功率直到符合實驗所需的波長有較佳的輸出即可進行實驗。
 
C、波長倍頻器
       因研究課題需要可調式脈衝紫外光,染料雷射輸出的光必須再倍頻。本實驗所用的波長倍頻器(wavelength extender)的原廠製造商是Spectra-Physics公司,產品型號為Quanta-Ray WEX-2。適當地選用不同角度的KD*P晶體可產生範圍從432nm到216nm的可調波長的紫外光,例如選用50°切角的C1晶體倍頻後可輸出的範圍從310-440nm,58°切角的C2晶體倍頻後後輸出的範圍從285-350nm,74°切角的C3晶體的輸出範圍從267-290nm。故在做實驗時,須注意掃描的範圍來選用適當的晶體。
       自染料雷射輸出的可見光經WEX-2 的光束結合鏡片(beam combiner),反射到有倍頻功能的KD*P晶體上,不同波長的入射可見光其折射率不同,須微調晶體的Phase-matching組內的KD*P晶體角度,以得到功率最大的紫外光。微調晶體的Phase-matching的原理如下:輸出的紫外光一部分照射在二象限光電二極體上,若光束有偏折的情形,則照射二極體電路上的電橋產生電流,促使WEX-2自動微調晶體的角度,使二極體兩邊的電流達到平衡,直到電橋沒有電流通過為止,此使可得到最大的紫外光輸出功率。
        由於波長倍頻的轉換效率通常只有10%左右,經波長倍頻後的光源中混合有原來的可見光及倍頻後的紫外光,因此我們必須藉Pellin Broca 稜鏡將可見光及紫外光分離。依實驗條件所需,紫外光的強度可由不同穿率的Neutral Density Filters來控制其強度後,經過柱狀的聚焦鏡聚焦,引入高真空室和分子束相交,當做激發或游離分子的光源。