反其道而行的創新 - 啾頻脈衝放大 Print Friendly and PDF

「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、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。

 

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：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。


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」。

 

圖四、啾頻脈衝放大技術的四步驟示意圖。[10]

「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。
 

 

 

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。
 

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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).