我国科学家实现亚周期光脉冲由孔庆昌教授-跨领域光电科技研究中心.PDF

我國科學家實現亞週期光脈衝 由孔慶昌教授（中研院原分所暨交大光電系） 領導，趙如蘋與潘犀靈教授（交大 電物系與光電系）等組成的研究團隊在中研院 、國科會及教育部的資助下，成功的產 生了迄今光波頻率範圍（近紅外至紫外）中最短的光脈衝串，光場寬僅0.83週期 時間（ 寬度 0.44飛秒 ，femtosecond = 10-15 sec ）。初步的研究成果發表於 2008年四月二十五日 出版之美國物理學會 “物理評論通訊”( Physical Review Letters) ，該文的第一作者是陳 蔚然博士（中研院原分所），李晁逵教授（中山光電所）也有很重要的貢獻 。 像這樣亞週期（ sub-single-cycle ）、亞飛秒（sub-femtosecond ）級的光脈衝，是超 快科技領域的重要里程碑。按週期是電磁波（包括光波）的重要物理參數，等於頻率 的倒數，指的是訊號重複一次所需的時間。所謂亞週期光脈衝指的是脈衝寬不到一個 週期的光脈衝。 超快科技探討如何產生、量測與操控快速訊號及其應用，是很重要的一個前瞻科 技領域，上世紀七十年代科學家發明了鎖模技術，首度產生了皮秒（picosecond ，1 ps = -12 10 sec ）雷射脈衝。如此的超快光脈衝，比高速攝影用的閃光燈快百萬倍。八十年代 脈衝寬進入飛秒尺度使科學家們得以探討各種物理、化學、生物過程中的超快現象， 如高速電子與光電材料的動力特性等，因此，超快光脈衝在高速半導體元件的發展扮 演了關鍵的角色。另外，視覺的過程也被發現在飛秒的尺度啟動。在光波頻率，目前 飛秒科技的進展水準（ state-of-art ）是約兩個週期寬的光脈衝。 亞週期脈衝是在中研院原分所孔慶昌教授的實驗室裡實現的。圖一是本工作實驗 裝置的示意圖，光源是兩台波長分別為802 nm與602 nm的高功率巨脈衝雷射，每一個 巨脈衝寬約奈秒（ nanosecond = 10-9sec ）。雷射的頻率是原分所團隊刻意選擇的，各為 二者頻率差的整倍數，且其頻率差約等於氫分子的振動頻率。經由拉曼效應，同步入 射氫氣室的雷射巨脈衝激發氫分子的振動模態，被調制 (molecular vibrational mode modulation) 而產生多個拉曼邊帶 （Raman sideband ，見圖二）。按拉曼效應是以1930 年諾貝爾物理學獎得主拉曼(Sir Chandrasekhara Venkata Raman ，1888―1970)命名的效 應。簡言之，以光照射任何物質，都會引起物質中分子的振動，從而使得一些光子獲 得能量，而另一些光子失去能量，產生不同頻 率的再生光。前者之頻率等於雷射頻率 加上分子振動頻率，即反斯托克斯譜線（anti-Stokes ），後者之頻率等於雷射頻率減掉 分子振動頻率，即斯托克斯譜線（Stokes ），此二者即第一階的拉曼邊帶，如果雷射光 夠強，可在物質中與一階的拉曼邊帶作用，產 生高階的拉曼邊帶，請參考圖一中的小 圖。 圖一 亞週期光脈衝的產生與量測裝置。來自染料雷射（波 長為 602nm）與鈦寶石雷射（波長為 802nm）的奈秒脈衝射入高壓氫氣室 ，產生多個拉曼邊帶（Raman Sidebands Generation），圖中左小圖 是其原理的示意圖） 。用液晶空間相位調制器（圖中的 Phase Modulator）控制拉曼邊帶的相位，以合成 亞週期的光脈衝串。脈衝的量測是利用氙氣（Xe）中的 四波混頻（Four Wave Mixing）現象,如圖一中 右邊小圖所示。PMT:光電倍增管。 交大團隊為此實驗特別設計研製了可向紫外延伸使用的液晶空間調制器（liquid crystal spatial light modulator ，簡稱LC-SLM ），可相位鎖定波長範圍由紅外（1203 nm） 至紫外（301 nm ），相當於兩個倍音程(octaves)的七個拉曼邊帶（圖二中 -2至4階） 。 經相位鎖定後，這些拉曼邊帶合成所產生的光脈衝，其電場寬可短至亞飛秒或阿秒 （attosecond = 10-18 sec ）。LC-SLM的基本原理與液晶顯示器類似，都是利用加在液晶 的電訊號去改變光場的特性，如相位或振幅，商用調制器只能用在可見光範圍內。 圖二 氫分子中產生之的拉曼邊帶，包括 Stokes線（ -1 與-2階）與反 Stokes線（ 1 至 7階