學位論文

近年來，隨著基礎科學的研究與發展，帶動了科學及技術的進步，雷射技術也得以迅速的發展，是由於雷射光束具有發散度極小、亮度（功率）很高、單色性好、相干性好等光學特性，因此在許多方面獲得了廣泛的應用，在工業上的雷射割切、加工、掃描、雷射雷達、雷射干涉儀，或是醫學上應用在外科手術、止血、去除色斑和修正視力，是邁向人類提高生活品質不可或缺的重要利器。而且雷射的單色性及極短脈波等，也成為發掘物質新特性的有利工具，在物理、化學、生物醫學等方面的貢獻可謂日益重大，所以新雷射的技術開發也是重大的挑戰。傳統雷射需要由兩面反射鏡組成共振腔，使增益介質在共振腔中累積足夠的光子，當達到居量反轉時輸出雷射光，所以通常體積大、製作不易且成本高，且光的散射會不利於雷射光的產生，因為光散射會造成損耗，而散射越強損耗就越大。反之，對於隨機雷射來說，光散射為產生隨機雷射的重要因素。利用隨機排列的散射介質來形成類似共振腔的封閉散射路徑，激發光則藉由這些封閉迴路產生多重散射。一旦平衡了系統中的淨增益和總損耗，可以在幾個方向上觀察到隨機激光發射。隨機雷射製成簡單、成本低且體積小，因此適合應用在許多領域上。像是遠程傳感器、雷射成像、醫療檢測、穿戴式感測器、顯示器或照明等等。另外我們也開發垂直共振腔面射型雷射，由於其表面法線發射、靈活的封裝能力和良好的光束質量，因此在光電技術和工業中被廣泛採用。此外，可以通過設計光學增益材料的能隙和面射型雷射腔內的諧振頻率來實現光譜發射的可調性和雷射模態選擇性。垂直腔面發射激光器是一種獨特的光源，可提供廣泛的應用，例如3D傳感、高速數據通信和雷射顯示器等等。本論文依照各個章節不同的研究主題和使用方法將摘要進行分類，其分類如下： 1. 曲率調控之隨機雷射由於沒有明確的共振腔，因此限制了隨機雷射的應用，因為隨機雷射主要取決於由散射介質引起的多重光散射產生的封閉迴路，從而增加了控制難度。為了有效地調節隨機雷射，在本文中，使用水熱法成長氧化鋅奈米柱組成的無序散射體，並使用羅丹明 6G（Rhodamin 6G）作為增益介質，透過Nd：YAG脈衝雷射激發來產生隨機雷射（random laser）。光子的傳輸平均自由路徑（mean free path, MFP）可以通過彎曲下方的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）柔性基板來調節曲率，從而創建可在閥值上下操作的獨特光源。此外，我們首次通過簡單的機械彎曲，將開發的曲率可調控隨機雷射用於體內生物成像，與無產生隨機雷射時的情況相比，具有更低的散斑噪聲，這對於研究快速移動的生理現象（例如老鼠耳朵皮膚中的血流模式）。曲率可調控隨機雷射的實驗可以預期成為開發基於無序的光電元件提供一條新途徑。本篇論文研究成果已投稿於Nanoscale (10.1039/c8nr09153f)。 2. 光學應變感測隨機雷射本研究利用閥值可調式隨機雷射來製作高靈敏度可撓曲應變感測器，透過將隨機雷射元件成長於聚酰亞胺（PI）柔性基板上，利用氧化鋅奈米柱組成的無序散射體，激發增益介質羅丹明 6G（Rhodamin 6G）產生隨機雷射。通過在柔性基板上施加應力，使基板彎曲來演示光譜發射的可重複性和可逆調整性，這使我們能夠在低於或高於雷射閥值的情況下激發隨機雷射。此外，我們的隨機雷射在彎曲應變為 40% 的情況下，可作為穩定耐用的光學應變器，其應變係數約為 37.7  5.4，藉由低溫簡單製成的方式製作光學檢測的應變感測器，可媲美傳統的電應變感測器。這項研究證實了隨機雷射光學應變感測器可以用於各個管路、橋梁等監控，也可製作成穿戴式感測器，在這些領域中，電錶受到限制並且光學量測被認為是更好的替代方案。本篇論文研究成果已投稿於APL Materials (10.1063/1.5099316)。 3. 石墨烯量子點垂直共振腔面射型雷射石墨烯量子點（GQDs）是一種新穎光學增益材料，其優異的溶液特性可用於製作高效率元件成為新光源。迄今為止，只有極少數關於GQDs產生雷射的研究。在本論文中，我們是第一個成功地製作出室溫光激發石墨烯量子點綠光面射型雷射的團隊。由Ta2O5 / SiO2兩種高折射係數差異的介電質材料做週期性堆疊成長，並設計製作布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflector, DBR），同時提供GQDs在光譜上的寬截止區，且在紫外光區域也具有高穿透率。藉由本實驗清楚地證明了GQDs能作為一種實用、成本低廉且高量子轉換效率的光學增益材料，展現GQD-VCSEL在寬色域雷射顯示器和投影式影像的潛在應用邁出的重要一步。本篇論文研究成果已投稿於ACS photonics (10.1021/acsphotonics.9b00976)。

石墨烯量子點 (GQDs) 是一種新型光學增益材料，目前可用於具有高性價比和高效率元件的特性來作為光源。但截至目前為止，在學術期刊文獻當中，只有極少數關於GQDs產生誘發輻射，並應用於雷射輸出的研究與探討。在本碩士論文中，我們成功地製作出第一顆室溫光激發石墨烯量子點綠光面射型雷射( = 550 nm)。首先，藉由週期性成長堆疊Ta2O5 / SiO2兩種高折射係係數差異介電質材料，來設計並製作高光學品質的布拉格反射鏡 (Distributed Bragg Reflector, DBR)，其不僅提供與GQDs在輻射光譜上具有高重疊性，並同時在紫外光區域具有高光學穿透率。我們自行設計的DBR，將可見光波段 400 – 700 nm的光反射率高達95% 以上，並且在激發雷射光 ( = 355 nm) 有高達30% 的穿透率。我們再將兩片Ta2O5 / SiO2 DBR夾擠GQDs 作為光學增益介質，形成垂直型光學共振腔面射型雷射結構(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)，透過脈衝雷射激發後 (5 ns pulse width , 10 Hz repetition rate,  = 355 nm)，最終在室溫下產生穩定的綠光雷射輸出。而我們的雷射是種無極化現象的多模態 (multi-mode) 雷射，較容易地去調控我們所需要的波長，也可以從 CIE1931 座標當中確認到我們的雷射波長是很穩定的，是可以藉由調控 GQDs 的直徑大小來控制我們雷射的發光波長。藉由本實驗清楚地證明了GQDs能作為一種實用、成本低廉且高量子轉換效率的光學增益材料，展現GQD-VCSEL在寬色域雷射顯示器和投影式影像的高潛力應用。

在本論文研究中，我們主要探討布拉格反射鏡與鈣鈦礦之應用，我們利用布拉格反射鏡高反射原理，此反射鏡對於355nm處的光反射率極低，我們在反射鏡中加入發光材料鈣鈦礦，發光波長約落在515nm，作為反射鏡之共振腔，使用355nm脈衝雷射激發使其生成雷射，藉由增強脈衝雷射強度，觀察其modes PL強度及半峰全寬(FWHM)變化。另外我們也比較在鈣鈦礦加入反射鏡中時有無進行轉塗布的差異。我們發有使用旋轉塗佈將鈣鈦礦加入在布拉格反射鏡中比起未使旋轉塗佈機，且其modes PL強度有減弱及modes數量也比未使旋轉塗佈機來的少。實驗結果證明了將鈣鈦礦加在於布拉格反射鏡中做為cavity，經脈衝雷射激發的確能有效而生成雷射。

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