專業 物理

反其道而行的創新 - 啾頻脈衝放大

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撰文者:羅志偉.葉恬恬
發文日期:2019-02-19
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  • 「在雷射物理領域的突破性發明」 ─ 這是 2018 年諾貝爾物理獎的得獎理由,由三位雷射科學的先驅共同獲得,這是繼 1999 年諾貝爾化學獎 ─ 將化學反應觀察尺度推進至飛秒級 (Femtosecond,10-15 s) 和 2005 年諾貝爾物理學獎 ─ 利用超快雷射鎖模機制 (Mode-locking) 發展的雷射光梳 (Optical Frequency Comb) 之後,超快光學史上第三座諾貝爾獎。

     
    圖一
    圖一、上圖是當前(A)穆胡與(B)史垂克蘭的照片[3-4]。下圖則是當年(C)穆胡與(D)史垂克蘭在羅徹斯特大學的照片[5]。


    但不同於著重在時間尺度的飛秒化學反應及未知頻率量測的光梳技術,「啾頻脈衝放大」技術將脈衝雷射的尖峰功率提升至兆瓦 (Terawatt, 1012 W) 以上的等級。此項技術不但解決了雷射發展上的瓶頸 ─ 「在放大高強度雷射脈衝後,雷射脈衝會燒壞放大器」的棘手問題,並提供了可靠且精確的實現方法,使得高尖峰功率的脈衝雷射得以廣泛應用於各種領域,從雷射屈光眼角膜醫學手術、金屬和玻璃焊接到各類 3C 產品的製造中都可以見到它的足跡。


    這項得獎工作於 1985 年在美國羅徹斯特大學 (University of Rochester) 的雷射能量學實驗室(Laboratory for Laser Energetics,LLE) 完成。 當時,Mourou 任教於羅徹斯特大學,Strickland 則是 Mourou 的博士生,並以「 啾頻脈衝放大」為其研究主題,研究結果則刊登於光學通訊 (OpticsCommunications) 期刊上 [1],這是她發表的第一篇論文。此外,Strickland 是第三位女性諾貝爾物理獎獲獎人。對此,美國物理聯合會 (American Institute of Physics,AIP) 表 示「Strickland 打破了 55年來沒有女性獲得諾貝爾物理學獎這一裂縫,使得今年的獎項更具有歷史意義。」[2]

    對此,羅徹斯特大學光學研究所所長 ─ Scott Carney 形容 [5]「這對光學領域來說是一個偉大的日子,而且毫無疑問地其在光學上的衝擊早已橫跨科學及工程兩大領域。啾頻脈衝放大技術打開了通往科學寶庫的大門。如果沒有這種令人難以置信的強大而精美的發明,我們仍然會生活在奈秒 (Nanosecond,10-9 s) 級的世界中,而無法探索速度快一百萬倍的飛秒動力學物理。從化學到大氣科學;從非線性量子電動力學到雷射加工製造都可看到Mourou教授和Strickland教授的工作所造成的重大影響。這種認可絕對是當之無愧的。」確實,從前一篇啾頻脈衝放大技術的發展與應用之圖一,當「啾頻脈衝放大」技術在 1985 年被發明之後,脈衝雷射的尖峰功率進入了另一個檔次。目前,這項技術已成為市售脈衝雷射放大器的標準架構,也為學術研究及工業應用帶來無限的可能。


     
     
    螢幕快照 2019-03-08 下午6.12.52甚麼是「啾頻脈衝放大」?


    首先,讓我們介紹何謂「脈衝」:如圖二所示,當只有單一頻率 ( 顏色 ) 的光波存在於雷射時,雷射輸出光為「連續波」的形式,也就是雷射光強度隨時間變化維持一定值,不會改變。但當有數個頻率 ( 顏色 ) 的光波同時存在於雷射中且相互之間的相位維持不變,則會因為干涉效應造成輸出光為「脈衝波」的形式,也就是雷射光強度隨時間增加變大又變小,只有在某一個時間點才有雷射光,其他時間則無雷射光的存在。此外,如果這些可以互相疊加及干涉的雷射光頻率 ( 顏色 ) 越多,即頻寬越寬,就可以在時間軸上疊加並干涉成越窄的脈衝,同時脈衝強度也會增加。以上結果可用我們熟知的傅立葉轉換原理來說明,如果我們可以不斷增加頻域 (Frequency domain) 中的頻寬 (Bandwidth),也就是可以互相干涉的雷射光頻率 ( 顏色 ) 數量越多,則可以在時域 (Time domain) 中製造出脈衝寬度(Pulse width) 更窄、強度更強的超短脈衝 (Ultrashort pulse)。


     
    圖二
    圖二:脈衝寬與頻寬之間的關係
     
     
    接著,讓我們介紹甚麼是「啾頻脈衝」: 從前面的介紹,我們已經知道超短脈衝是由許多不同頻率 ( 顏色 ) 的光波所組成,而這些不同頻率 ( 顏色 ) 的光波在物質中行進會有不同的速度 [6],因此,超短脈衝在行進一段距離後,會因為色散效應 (Dispersion),使得不同頻率的光波會漸漸分開來,進而造成脈衝變寬,如圖二 (D)所示。如果由脈衝前緣到後緣,因為色散效應光波顏色逐漸由紅色 ( 低頻 ) 變成藍色 ( 高頻 ),若將此些組成脈衝的光波想像成聲音,就很像有一隻小鳥一邊啾啾叫一邊朝著我們飛過來,因為聲學的都卜勒效應 [7] 我們會聽到小鳥的啾啾叫頻率隨著越來越靠近我們,而逐漸變高頻,此現象即稱為「啾頻」(Chirped)。根據這樣類比,我們將具有色散效應的雷射脈衝稱為「啾頻脈衝」(Chirped pulse)


    如果在雷射頻寬固定或有限的情況下,又想增加超短脈衝的強度,我們該如何做呢?有個簡單的方法,就是讓這個超短脈衝進入另一個雷射增益介質及共振腔以獲取更多的能量,可是一旦脈衝被放大到超過物質的破壞閥值 (Damagethreshold,以氣體為例約在 1014 W/cm2 等級 [8]),則其所經之任何物質皆會被破殆盡,包括導引雷射光之所有鏡子。因此,即便我們可以利用此方法成功將超短脈衝放大,但所能達到的最大值就是物質的破壞閥值。所以,我們需要一個顛覆傳統的創新方法,才能突破此一極限。如前面所述,色散效應造成的「啾頻脈衝」會使脈衝變寬,這是所有從事超快光學研究的相關人員所不樂見的,因此都極盡所能的避免「啾頻脈衝」的發生。


    然而,Mourou 和 Strickland 卻反其道而行,故意利用色散效應將雷射脈衝在時間軸上延展開來以形成非常寬的「啾頻脈衝」,使得脈衝的尖峰功率大幅下降。接著,再將此「啾頻脈衝」送進放大器進行放大,此即為「啾頻脈衝放大」。雖然能放大的極限仍是物質的破壞閥值,但若再利用脈衝壓縮器,可將啾頻脈衝的色散效應補償掉,使之恢復為無色散效應之超短脈衝,如圖二 (C) 所示。因為脈衝能量 ( 面積 ) 是固定的,若脈衝寬度縮短 1000 倍,則脈衝的尖峰功率約可增加 1000 倍。所以,如果利用脈衝延展器將脈衝延展越寬,則脈衝尖峰功率可放大的幅度就越大,因此經過壓縮後可輕易突破物質破壞閥值的極限,達兆瓦 (Terawatt,1012 W) 以上。當然,這表示在脈衝壓縮器後,脈衝尖峰功率超過物質破壞閥值的脈衝仍會破壞所有導引雷射光的鏡子,而無法將雷射脈衝取出運用。為解決這個關鍵的問題,我們可將進入壓縮器前的雷射光點放大至約 1 公分左右,以降低壓縮後的脈衝能量密度而不至於破壞後頭的光學元件或實驗器材。



    螢幕快照 2019-03-08 下午6.12.52如何實現「啾頻脈衝放大」?


    接下來,讓我們介紹穆胡和史垂克蘭當年如何實現「啾頻脈衝放大」。
    圖三
     
    圖三 (A) 是 1985 年 Mourou 與 Strickland 所發表的啾頻脈衝放大系統架設 [1],系統的光源是脈衝寬 150 ps (Picosecond,10-12 s)、頻寬 5 nm、平均功率 5 W 及每秒 82 百萬發脈衝的摻釹釔鋁石榴石(Nd:YAG) 鎖模雷射。經過長 1.4 Km、直徑 9 μm 的單模光纖 (Single-mode fiber) 作為延展器,將脈衝延展為 300 ps。此時出光平均功率剩 2.3 W,且脈衝波形變成正方形。圖三 (B) 是延展後脈衝的自相關 (Autocorrelation) 量測結果。延展後的脈衝接下來被送往摻釹玻璃 (Nd:glass) 再生放大器,將單根脈衝能量放大了 7 萬倍至約 2 mJ (10-3 J)。此再生放大器則由共振腔、增益介質摻釹玻璃及作為開關的偏振片 (Polarizer)、四分之一波片 ( λ / 4 )、勃克爾盒 (Pockels cell) 所組成。在勃克爾盒沒加電壓時,能利用偏振分光鏡將脈衝送入再生放大器的共振腔,但在脈衝第二次通過勃克爾盒前,加適當電壓使之等效上成為四分之一波片,脈衝便被鎖在共振腔裡,當繞行約 100 周後,再以適當電壓觸發勃克爾盒使脈衝偏振做半波旋轉 ( 也就是由 P 偏振轉成 S 偏振 ),即可將放大的脈衝導出共振腔。最後,放大的脈衝被送至由光柵對 ( 相距 25 cm, 1700 條 /cm) 所組成的壓縮器,可將脈衝壓縮回 1.5 ps,如圖三 (C)。


    Mourou 與 Strickland 在 1985 年所發明的「啾頻脈衝放大」技術已成為現今所有脈衝雷射放大器的基本架構。如圖四所示,只要經過四個步驟,即可輕易完成啾頻脈衝放大而獲得高尖峰功率的超短脈衝。


     

    圖四
    圖四、啾頻脈衝放大技術的四步驟示意圖。[10]


    螢幕快照 2019-03-08 下午6.12.52「啾頻脈衝放大」技術的相關應用

    飛秒雷射微加工 ─ 兆瓦 (1012 W) 下的「冷」加工飛秒雷射加工

    是目前工業上較新穎的加工技術,除了能取代傳統車床、銑床、焊接等機台,也因為是非接觸式加工,不但能減少加工中的汙染物、微裂縫、重鑄層及震波等問題,也有較高的加工重現性。飛秒雷射放大器目前輸出的平均功率一般都在 10 W 以下,遠遠低於高功率的連續波雷射(~1600 W),但是其脈衝的瞬間尖峰功率輕易的就達到兆瓦(1012 W) 等級,也就是高功率連續波雷射的好幾億倍。跟連續波雷射加工比起來,飛秒雷射加工擁有「冷」加工的特性,且加工精密度甚至能突破光學繞射極限 (Diffraction limit),到達次微米 (sub-μm) 等級 [10],其機制如圖五所示,只要脈衝能量密度大小與材料破壞閥值(Damage threshold) 的關係控制得當,即可製作出比光束還小的加工區域。
     
    圖六
    圖六:奈秒雷射(A) 及飛秒雷射(B) 在軟性銀膠薄膜上製備微通道的結果比較[12]。由於飛秒級脈衝寬度遠小於熱效應發生與擴散的時間,因此材料在加工時不會受到熱累積所造成的破壞(例如:融化),進而提升加工的精度與品質。除了精密微加工外,飛秒雷射更能進行材料表面特性的改質及表面微結構的製備,這是傳統機械式機台無法辦到的。
     

    圖七
    圖七:經過飛秒雷射加工的區域,其底下的「NCTU」文字無法從側邊看清楚[13]。利用飛秒雷射改善廣泛使用在觸控螢幕導電層的銦錫氧化物(Indium Tin Oxide,ITO) 薄膜的導電性;同時也可在其表面製備微結構,此種類光柵微結構使銦錫氧化物薄膜具有防偷窺的功能,也就是從側邊觀看銦錫氧化物薄膜時,會被不同顏色的強烈繞射光線影響,而看不清楚其後方的影像,進而達成資訊保密之目的。


    飛秒雷射光致電漿 ─ 可改變光波頻率的介質

    光學的非線性效應是目前廣泛被用來改變光源頻率 ( 顏色 ) 的方式,使光源的波長可用範圍不受到所使用的雷射種類限制,但其產生也仰賴高強度的入射光,在低能量密度入射光時轉換效率極低,不過一旦入射光擁有足夠能量密度則產生的異色光強度會呈現指數性的增加。因此,能提供高脈衝能量密度的飛秒雷射放大器是最佳的光源選項。這裡以降頻轉換的差頻產生 (Difference-frequency generation) 為例:差頻產生是利用兩個入射光的光子能量差來產生另一道光 ( 又稱為三波混頻 ),多半輸出的光子能量不大,波長約在 μm等級,是紅外光產生的一種方法。除了光源外,我們還需要適當的非線性晶體做為實現差頻產生的媒介,然而這些非線性晶體的差頻產生效率會受限於光子能量守恆、相位匹配(Phase matching,為了滿足動量守恆)、破壞閥值及材料本身轉換效率 (除了二階電極化率,還有晶體吸收的影響 ) 等因素。

    如果我們需要運用更高階的非線性效應,例如:四波混頻。相較於前述的三波混頻,四波混頻多了一顆光子進行交互作用,轉換效率自然更低,也因此需要更強的入射光。但若輸入更強的入射光,就有可能破壞晶體,所以須與晶體的破壞閥值做妥協,使得轉換上變得更加不容易。不過,隨著飛秒雷射放大器的發展,雷射光致氣體電漿被大量的研究與應用。


     
    圖八
     
     
    圖八:四波混頻產生超寬頻中紅外光脈衝系統。利用鈦藍寶石雷射放大器的800 nm飛秒脈衝及二倍頻產生的400 nm藍光進行空氣的游離,並利用波長2至3 cm的雷射光致氣體電漿為媒介進行四波混頻,可以產生不到10 fs的超寬頻(2-50 mm,或150-6×1012Hz) 中紅外光脈衝[14]。這裡使用雷射光致氣體電漿作為轉換的媒介,巧妙避開相位匹配與破壞閥值的限制,才得以產生超寬頻的中紅外光脈衝,不但顯示了飛秒雷射放大器的威力,也進一步提升了中紅外光的應用性。( 圖中箭頭代表雷射光的偏振方向。)​​​​​​​


    啾頻脈衝載波混頻技術 ─ 用可見光偵測器也可以量測紅外光

    一般來說,紅外光偵測器的使用上有頻寬、訊雜比、低溫操作、甚至是價格昂貴的限制,若能將紅外光轉成可見光,再用可見光光譜儀及偵測器進行測量,除了品質會大大提升外,使用上也會方便很多。與一般低訊雜比的色散式紅外光光譜儀、或是步進式掃描的傅立葉轉換光譜儀相比,「啾頻脈衝載波混頻技術」[14] 大大的降低測量時間,甚至可以做單發脈衝 (Single shot) 的紅外光光譜測量。其機制與前述四波混頻產生超寬頻中紅外光脈衝的機制相似,皆以電漿做為混頻的媒介,將中紅外光脈衝與鈦藍寶石飛秒雷射的 800 nm 脈衝做混頻並轉換為可見光 ( 如圖九 (A))。為了減少光譜轉換的變形,將原來的飛秒脈衝利用色散材料延展成皮秒啾頻脈衝,再利用啾頻脈衝在瞬時波長分布均勻的特性,與不到 10 fs 的中紅外光脈衝做升頻轉換,過程中除了可以減少頻譜變形外,也可以增加頻譜的解析度 ( 如圖九 (B))。除此之外,波長涵蓋的範圍已超出大多數波長可調光源的範圍,同時也省去調變波長的時間,因此大大降低了時間解析紅外光譜 [15] 量測所需的時間及提升量測的品質。
     

    圖九
    圖九、(A)將中紅外光脈衝與鈦藍寶石飛秒雷射的800 nm脈衝做混頻轉換為可見光的系統示意圖。(B)啾頻脈衝載波混頻的過程。啾頻脈衝的瞬時波長分布均勻特性(虛線中對到的範圍顏色相近) 使得混頻過程變形較少。

     
     
     
    螢幕快照 2019-03-08 下午6.12.52結語


    「啾頻脈衝放大技術」自 1985 年被 Mourou 與 Strickland 提出後,脈衝雷射的尖峰功率密度不但一舉突破當時的瓶頸 ─ 「在放大高強度雷射脈衝後,雷射脈衝會燒壞放大器」的問題,也引領高尖峰功率密度脈衝雷射的發展,使得各種複雜的高階光學非線性效應均得以被實現,此項研究因此獲得 2018 年諾貝爾物理獎的殊榮。以飛秒雷射加工為例,加工精度可以輕易藉由飛秒雷射放大器而有所突破。此外,飛秒雷射放大器也促進了雷射光致氣體電漿的相關研究,本文最後的例子中展示了當飛秒雷射放大器能量到達一個臨界強度後,相關的時間解析光譜測量能力或其他相關技術也被提升了一個檔次。
     


    參考資料


    1. D. Strickland & G. Mourou, Compression of amplified chirped optical pulses. Optics Communications 56, 219–221, (1985).
    2. P. Rincon, First woman Physics Nobel winner in 55 years. BBC News website, (2018, October 2). https://www.bbc.com/news/science-environment-45655151
    3. Twitter of The Nobel Prize, Photo credit: Mme Catherine Sarrazin. pic.twitter.com/c87TamN75Q
    4. Twitter of The Nobel Prize, Photo credit: Doug Dykaar. pic.twitter.com/bdb1HXQI9s
    5. L. Valich, Rochester breakthrough in laser science earns Nobel Prize. Newscenter, University of Rochester, (2018, October 2). http://www.rochester.edu/newscenter/rochesters-breakthrough-in-laser-science-earns-nobel-prize-340302/
    6. M. Born & E. Wolf, Principles of Optics. Cambridge: Cambridge University Press. pp. 14–24, (1999).
    7. N. Giordano, College Physics: Reasoning and Relationships. Cengage Learning. pp. 421–424, (2009).
    8. D. Dundas & J. M. Rost, Molecular effects in the ionization of N2, O2, and F2 by intense laser fields. Phys. Rev. A71, 013421, (2005).
    9. Noble Prize Website https://www.nobelprize.org/prizes/physics/
    10. 11.F. Korte, S. Adams, A. Egbert, C. Fallnich, A. Ostendorf , Sub-diffraction limited structuring of solid targets with femtosecond laser pulses. Opt. Express 7, 41-49, (2000).
    11. 顏銓佑,以飛秒雷射進行軟性基板微加工之研究。國立交通大學電子物理系碩士論文,(2016)。
    12. Y.-H. Tseng & H. Y., C.-W. Luo, Femtosecond laser-colorized indium-tin-oxide films for blue light attenuation and image screening. Opt. Express 25, 33134-33142, (2017).
    13. T. Fuji & Y. Nomura, Generation of Phase-Stable Sub-Cycle Mid-Infrared Pulses from Filamentation in Nitrogen. Appl. Sci. 3, 122-138, (2013).
    14. Y. Nomura, Y.-T. Wang, T. Kozai, H. Shirai, A. Yabushita, C.-W. Luo, S. Nakanishi, and T. Fuji, Single-shot detection of mid-infrared spectra by chirped-pulse upconversion with four-wave difference frequency generation in gases. Opt. Express 21, 18249-18254, (2013).
    15. T.-T. Yeh, H. Shirai, C.-M. Tu, T. Fuji, C.-W. Luo, Ultrafast carrier dynamics in Ge by ultra-broadband mid-infrared probe spectroscopy, Sci. Rep. 7, 40492, (2017).
     

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