2010年5月11日

更短的雷射脈衝—突破飛秒極限的埃秒雷射

作者/謝智明(任職中央研究院原分所)、詹翰松(就讀交通大學光電所)、(孔慶昌:任教清華大學光電所)

在原子的世界裡,一切的反應快到連兆分之一秒都及不上,因此需要埃秒單位的脈衝輔助,才能觀察這些奇快無比的運動行為。

自雷射問世以來,科學家便不斷在追求寬度更窄的脈衝,主要是因為若想量測快速運動的物體時,需要用到比待測物更快的測量工具,就像在奧運競技中,要有準確至千分之一秒的碼錶來決定運動員的勝負;快速照相機的出現,也讓人們瞭解到許多過去無法觀察的現象,如蜂鳥翅膀的振動、子彈的飛行軌跡等運動,都是在這些更快速的探測工具出現後,才能更進一步地瞭解。探測工具的發展,關係著科學的進步,所以原子層級的探測便需要比原子運動更快的超短脈衝來丈量。

過去,從事超短脈衝研究的科學家,為了突破飛秒(10^15秒)脈衝的瓶頸,就花了近十餘年的時光,才有了埃秒(10^18秒)脈衝的出現。時至今日,埃秒脈衝已成為現今光學新興的技術,人們對它的期待不僅只於脈衝寬度,更期待能利用它探索更快的運動,像是窺探電子運動行為,埃秒脈衝儼然成為二十一世紀初,引領科學家開啟微小世界的一把鑰匙。

在現今的光學技術裡,主要有兩種方式可以產生埃秒脈衝:一為利用高階諧次產生(high harmonic generation, HHG)超寬頻,經過適當的調整後,就能夠產生非常窄的脈衝,其寬度可窄至數十埃秒,具有單發脈衝、包絡內載波頻率(envelope carrier frequency)會含數個週期及高階諧次轉換效率低等特性;另一方法為利用分子調製的機制來產生,此法可產生具有同調性的光頻梳,光頻梳之間具有較高的轉換效率、載波頻率較易達到單一週期或亞週期等特性,但其脈衝寬度較寬。值得注意的是,包絡內之載波頻率的週期數是決定載波包絡相位變化量明顯與否的關鍵,亦即載波頻率越小,載波包絡相位改變量對於載波波形的影響就越大。筆者在此著重於介紹以分子調製的方式來產生埃秒脈衝,目前國內在這方面的研究主要為本文作者孔慶昌在中央研究院原分所所領導的團隊,以下我們介紹這一系列的相關實驗如何進行。【更詳細的內容,請參閱第485期科學月刊】

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