2um波長光源已被證實屬於對人眼安全波段，且水在此波段具有高吸收特性，而鎖模脈衝雷射具有高重複頻率與高峰值功率的特性，在應用上有利於提升雷射加工品質。因此結合以上特性組成的2um鎖模雷射，廣泛的應用於精密加工、醫療與環境檢測。 本論文以半導體飽和吸收鏡(SESAM)作為鎖模光纖雷射飽和吸收體，製作線性腔體架構之被動式鎖模2um光纖雷射，此光纖雷射系統之增益介質是使用印度Mukul Chandra Paul博士所領導的中央玻璃與陶瓷研究團隊，以奈米製程的摻銩(Tm3+)釔鋁二氧化矽光纖。我們以實驗室自製的1567 nm摻鉺鐿光纖雷射作為幫浦光源，搭配兩種波長的光纖光柵反射元件(FBG)與兩種半導體飽和吸收鏡，組成線性共振腔，來分析被動式摻銩鎖模光纖雷射之系統斜效率、波長與脈衝寬度的變化；並將此種子光源進行放大，利用放大器製作出高峰值功率進行雷射加工應用。

鎖模脈衝雷射具有高重複頻率與高峰值功率的特性，在應用上有利於提升雷射加工品質。近年來2 m波段已被證實屬於對人眼安全波段，並且水在此波段具有高吸收特性。因此結合以上特性組成的2 m鎖模雷射，廣泛的應用於精密加工、醫療與環境檢測。 本論文以半導體飽和吸收鏡(SESAM)作為鎖模光纖雷射飽和吸收體，製作線性腔體架構之被動式鎖模光纖雷射，此光纖雷射系統之增益介質是使用印度Mukul Chandra Paul博士所領導的中央玻璃與陶瓷研究團隊以奈米製程的摻銩(Tm3+)釔鋁釔鋁二氧化矽光纖。我們以自製的1567 nm摻鉺鐿光纖雷射作為幫浦光源，再搭配三種反射元件與兩種半導體飽和吸收鏡組成線性共振腔，藉由改變線性共振腔之腔體反射率與不同參數之半導體飽和吸收鏡，來分析被動式摻銩鎖模光纖雷射之系統斜效率、波長與脈衝寬度的變化。

光纖雷射可應用於醫療手術、材料加工、大氣感測等各種不同領域，近年來光纖雷射波長往長波長的方向發展，2 µm的波段對有人眼安全的特點。目前摻銩(Tm3+)光纖雷射常用於2µm，但銩離子最長可以釋放出2.05 µm的波段，而為了產生更長的雷射波段，我們研究高濃度摻鈥矽酸鹽光纖。實驗中，應用2.06 µm Tm:Ho:YLF固態雷射系統，做出摻鈥光纖雷射放大器。我們以清華大學施宙聰教授實驗室研發出單頻波長可調的2.06 µm Tm:Ho:YLF固態雷射系統當作種子光源，再加上本實驗室對摻鈥光纖雷射高功率之幫浦光源的相關研究基礎，將Tm:Ho:YLF固態雷射系統和光纖雷射系統做結合，並後續做出摻鈥光纖幫浦雷射放大器，並研究高濃度摻鈥矽酸鹽光纖之單位長度增益。

本文中介紹了如何建構高功率雷射放大器系統。種子源為使用半導體可飽和吸收鏡的被動鎖模光纖雷射，輸出功率為7mW，重複率為30MHz，脈衝寬度為5.2ps。為了減少光纖非線性效應的產生，所以使用啁啾脈衝放大(Chirp Pulse Amplification, CPA)系統。此架構分為三部分，包含光纖展寬器(Fiber strectcher)、光纖放大器系統(Fiber amplifier systems)、壓縮器(Compressor)。光纖展寬器可使得種子源脈衝寬度變寬，來降低峰值伴隨的非線性效應。在光纖放大器系統中，我們期望以更低平均功率達到相同脈衝能量。因此，藉由加入聲光調變器去降低脈衝雷射的重複率。最終我們完成了三級摻鐿光纖雷射放大器。在967kHz重複率時有3W平均功率輸出。脈衝寬度為100.01ps。在光柵密度為1600(l/mm)且光柵間距為5公分時，通過繞射光柵壓縮器可將脈衝壓縮回760fs，此時有大於1μJ的脈衝能量。

在光纖雷射發展中，脈衝雷射是使峰值功率提高的方式之一，且在細微的工業加工上或是醫療上，皆需使用較窄的脈衝雷射，因此如何壓縮脈衝為脈衝雷射的一個重要的研究方向。 在雷射中的增益介質是決定產生雷射後波長的因素，目前常見在光纖雷射使用的增益離子為鐿離子、鉺離子、銩離子及鈥離子，雖然每種離子都有很大的增益頻寬，但因雷射光為窄頻的光源，不易於檢測上需不同頻率的光源，因此有超連續光譜的產生，其中鎖模雷射因脈衝寬度縮短至皮秒甚至飛秒等級，使得峰值功率相當的強，藉由高強度的峰值功率以自相位調變及其他的非線性效應使頻寬拓寬。 本論文中使用摻鐿離子加聲光調變器的主動式Q開關雷射，利用改變外加控制器的參數來達到脈衝壓縮的結果。在2μm的超連續光譜研究上，我們使用市售的摻銩離子鎖模雷射，以此作為種子光源與自製的錐形光纖進行輸出光譜特性的研究。

近年來，由於對人眼相對安全，2 µm波段的雷射被廣泛的發展且應用於醫療手術、材料加工、大氣監測等各大領域。近年，清華大學施宙聰教授實驗室已成功研發出波長可調的2.06 µm Tm:Ho:YLF固態雷射，若將此種光源做為種子雷射並結合摻鈥光纖放大器之技術，可提升雷射系統之應用價值。本論文針對高功率摻鈥光纖放大器所需要的1.9 µm幫浦光源進行研究，而研究中所使用的奈米製程摻銩(Tm3+)釔鋁二氧化矽光纖是由印度中央玻璃與陶瓷研究團隊的Mukul Chandra Paul博士所領導製作。在雷射系統的部份，我們利用自組1567 nm 的掺鉺(Er3+ doped)光纖雷射作為高功率摻銩雷射之幫浦光源，並測試不同線性共振腔結構與Tm3+光纖長度下1.9 µm雷射輸出，而在R4%-HR的線性共振腔結構且長度4m的Tm3+光纖條件下，有最佳之系統斜效率41.1%，並更進一步使用1900 nm FBG以固定雷射輸出的波長，在HR-4%線性共振腔架構且3m的Tm3+光纖條件下，得到斜效率為53.2%的1900 nm 光纖雷射，此外，利用LiekkiTM模擬以1900 nm或1980 nm的雷射做為幫浦光源，並搭配上述2.06µm的種子雷射製作瓦級Ho3+光纖放大器，由模擬結果得知，以1900 nm做為幫浦光源的放大效果較佳。

近年來，脈衝型光纖雷射逐漸受到矚目，並大量廣泛應用於光通訊、環境檢測、醫療以及精密加工材料處理等等。為了得到高脈衝能量、短脈衝寬度的脈衝雷射，本研究是做出一個輸出波長在1 μm的Q開關光纖雷射，系統是以摻鐿光纖做為增益介質，976 nm的半導體雷射作為幫浦光源，並將硫化鉛量子點(PbS Quantum Dot；PbS QD)薄膜加入至腔體內，產生被動式Q開關機制。PbS QD薄膜是將硫化鉛量子點與膠體調合而成的薄膜，對光有非線性的吸收，因此可作雷射之飽和吸收體使用。最後作出其輸出波長為1039 nm，斜效率21.63%，脈衝能量404 nJ與峰值功率0.159 W的Q開關摻鐿光纖雷射。 目前文獻中，被動式Q開關摻鐿光纖雷射所能達到最高的脈衝能量為18.5 μJ，峰值功率為0.12 kW。為了作出更高功率Q開關摻鐿光纖雷射光源, 我們將原先的雷射源進行放大，使用976 nm的半導體雷射作為放大器的幫浦光源，在種子光源後加上多波長分工器將幫浦光源引導至摻鐿光纖，並以順向幫浦的方式再次將我們的Q開關摻鐿光纖雷射進行放大，經過放大器的增益放大後，種子光源的平均功率達到37.4 mW，脈衝能量達到1.07 μJ，而峰值功率達到0.4 W，為原本的6.5倍。

近年來，2 um波段已被證實屬於對人眼安全波段，並且水在此波段具有高吸收特性。另一方面，鎖模脈衝雷射具有高重複頻率與高峰值功率的特性，在應用上有利於提升雷射加工品質。因此結合以上特性組成的2 um鎖模雷射，廣泛的應用於精密加工、醫療與環境檢測。 本論文以半導體飽和吸收鏡(SESAM)作為飽和吸收體，製作線性腔體架構之被動式鎖模光纖雷射，此光纖雷射系統之增益介質是使用印度Mukul Chandra Paul博士所領導的中央玻璃與陶瓷研究團隊，以奈米製程的摻銩(Tm3+)釔鋁二氧化矽光纖。我們以自製的1567 nm摻鉺鐿光纖雷射作為幫浦光源，再搭配兩種反射元件組成線性共振腔，藉由改變線性共振腔之腔體反射率，來觀察被動式摻銩鎖模光纖雷射之系統斜效率，並進一步觀察在不同反射率下，鎖模雷射之特性區間與輸出波長的變化。最終可得，於光纖光柵式與光纖迴路式的架構下，分別觀測到1980 nm、1952 nm的鎖模脈衝雷射波長。在1980 nm量測到最高的斜效率18.6%，最大輸出平均功率為24mW、脈衝能量可達到2.2 nJ。

在光纖雷射發展中，超快脈衝光纖雷射倍受矚目，其應用廣泛的使用在醫療美容、精密微細加工、通訊及科學研究等。在眾多波長的光纖雷射中，1.55μm波段雷射在超快脈衝的發展上極為快速，因為此波段對於人眼較為安全以及相對於1μm與2μm的雷射波段較易產生鎖模現象。 此研究論文中所使用的增益光纖，是由印度中央玻璃與陶瓷研究團隊的Mukul Chandra Paul博士所領導製作，實驗可分為光孤子鎖模光纖雷射、鎖模光纖雷射放大器以及以硫化鉛量子點( PbS QDs )薄膜作為飽和吸收體的鎖模光纖雷射三大部分，其中鎖模光纖雷射放大器是由環形共振腔(光孤子鎖模光纖雷射作為種子光源)以及線性共振腔(放大器)兩個架構所組成，並用纖心幫浦( core-pumped )的機制組成鎖模放大器架構，而經過放大器的增益放大後，可放大原本光孤子鎖模光纖雷射的脈衝能量以及峰值功率數倍。在硫化鉛量子點鎖模光纖雷射部分，是將最新的材料硫化鉛量子點用於飽和吸收體之作用，產生如同石墨烯被動式鎖模光纖雷射之特性。

近年來，高效能之超快脈衝光纖雷射受到矚目，大量廣泛應用於光通訊、環境檢測、醫療以及精密加工材料處理等。相較摻铥、摻鐿光纖之斜效率，普遍高於摻鉺光纖，因目前摻鉺二氧化矽光纖中有淬火、集聚效應與量子缺陷等問題，導致摻雜濃度無法提升，且光轉換效率不高。此外，目前光弧子摻鉺鎖模雷射之脈衝能量仍小於0.16nJ，因此，我們希望能藉由奈米化之摻鉺矽酸鹽光纖，以做出高效率、高脈衝能量之光弧子超快鎖模雷射。 在此論文研究中所使用印度中央玻璃與陶瓷研究團隊的光纖，是由Mukul Chandra Paul博士所領導製作，並協助量測改良後的摻鉺矽酸鹽光纖之摻鉺離子濃度、吸收與放射頻譜圖以及生命週期等相關光學特性。 本論文為理論與實作兩部份。首先，理論部份，使用LiekkiTM 光學軟體來模擬光纖雷射輸出並優化實驗設計。實驗部份，分別作出連續式與脈衝式兩種型態光纖雷射。在連續式方面，我們成功研究出最高斜效率為43.0%之環形共振腔連續輸出光纖雷射；在脈衝式雷射方面，我們成功製作出脈衝能量為3.1nJ、脈衝寬度644fs、峰值功率約4.9kW以及斜效率22.6%之光弧子鎖模光纖雷射。

光纖雷射相較於一般傳統雷射有著高能源轉換效率、良好的光束品質、壽命長、較好的散熱係數、成本低等優點。在眾多雷射中，2μm波段雷射發展極為迅速，此波長對人眼相較於他波長更為安全且廣泛應用在醫療及工業上。 此研究所使用的7wt.%摻銩矽酸鹽光纖為目前文獻中摻雜濃度最高之摻銩矽酸鹽光纖。我們使用793nm半導體雷射作為幫浦光源，該波段對於銩離子有著交叉弛緩機制可使得量子效率可達200%。實驗可分為光纖雷射及光纖雷射放大器兩部分。其中光纖雷射部分又可依共振腔分為線性共振腔及環形共振腔兩種系統，所得到的輸出雷射斜效率分別為33.8%、15.9%，輸出波長為1978.4nm及2013nm，其中在摻銩矽酸鹽光纖中要能產生出超過2μm情形較少見。在光纖雷射放大器部份可以分成1985nm跟2013nm兩種種子光源；種子光源為1985nm時，固定輸入訊號能量為26.75mW情況下被放大至1.483W，此時增益為17.44dB；種子光源為2013nm輸入功率固定為0.55mW，可被放大至460mW，此時增益為18.2dB。 另外，我們也利用Liekki光纖模擬軟體進行模擬證明摻銩矽酸鹽光纖的自發放大(ASE)比摻銩二氧化矽光纖更適合應用於長波長，且也找出了幫浦源為793nm及1567nm且共振腔為HR-R4%情況下之增益光纖最佳長度；驗證了在放大器中不管在幫浦光源為793nm或1567nm，種子光源為1985nm輸出比種子光源2013nm高。

基於光纖雷射產業快速發展，許多種2 μm鎖模光纖雷射光源相繼被成功地研究出，並進一步的應用於先進之技術與系統上。然而，目前2 μm鎖模雷射重覆頻率仍然小於1 GHz。因此，我們希望使用高Tm3+摻雜矽酸鹽的高增益單位長度光纖研發出高重覆頻率之2 μm鎖模雷射。 在此論文中，我們使用前段所提到高 Tm3+ 摻雜矽酸鹽光纖執行理論與實驗相關研究。此種矽酸鹽光纖可摻雜 Tm3+ 離子濃度達到7wt.%(=8.35×1020 Tm3+/cm3)，據我們所知，其為目前 Tm3+ 離子可摻雜之最高濃度。其中，理論研究的部分是使用自行研發的光纖雷射模擬程式，針對1567 nm纖心幫浦情況下模擬雷射與放大器。實驗分為兩部分，第一部分，我們成功研究出斜效率60%之短腔體線性共振腔光纖雷射，第二部分，我們成功證明增益光纖長度3cm光纖放大器可達到訊號增益每單位長度5.8 dB/cm。

可見光與紫外光雷射已經被廣泛地應用在國防軍事、微加工、生物醫學、雷射投影…等等。高功率、高效率的奈秒可見光與紫外光雷射，所需要的近紅外光纖幫浦雷射，是窄頻、單一偏振、且峰值功率為數瓦級的雷射光，此種近紅外幫浦光纖雷射光源需要使用高濃度的摻鐿光纖當作增益介質，然而，過度的摻雜鐿離子在光纖中導致了濃度粹熄、光致色變的產生，如今光致色變成了摻鐿光纖雷射的主要問題。 從理論上得知，摻鐿光纖形成光致色變的可能原因有三個因素，第一，製造光纖製程時產生的缺陷，第二，光纖本身材質的缺陷，第三，高濃度摻雜的鐿離子團。在本研究中，將著重於第三點去研究。 在論文中，我們量測了六種摻鐿二氧化矽光纖，以及一種摻鐿矽酸鹽光纖。首先，我們量測了兩條摻鐿二氧化矽光纖，其濃度分別為7x1025/m3、 2x1026/m3。量測了10小時以後，635nm雷射的功率分別下降了8%和21%，此結果證明了高濃度的摻雜確實造成了較嚴重的光致色變。為了得知市面上光纖製程的改善能力，我們比較了兩根相同製造商生產的光纖，其中一根為2~3年前製造，另一根則為今年所製造，由實驗結果可知，光纖雷射工業也已致力於改善光纖的光致色變阻值。 此外，我們也量測了目前摻雜鐿離子濃度最高的摻鐿矽酸鹽光纖，摻雜濃度比上述提及的摻鐿二氧化矽光纖還要高了10倍以上，然而即使是在如此高的摻雜濃度下，在我們的量測中，依然沒有光致色變的形成，此結果表示，摻鐿矽酸鹽光纖擁有很好的光致色變阻值。