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2018-12-012018諾貝爾物理學獎—脈衝雷射 588 期

Author 作者 林宮玄/任職於中 央研究院物理研究 所,兼任本刊編輯 委員。
2018年諾貝爾物理獎表彰雷射物理領域中2個技術的重要突破,其中一項為諾貝爾獎得主穆胡(Gérard Mourou) 和史崔克蘭(Donna Strickland)發明的「啁啾脈衝放大(chirped pulse amplification)」, 突破脈衝雷射強 度的瓶頸,產生超強與超短的脈衝雷射光。什麼是「脈衝雷射」?什麼又是「啁啾脈衝」?超短與超強的脈衝雷射又能帶來什麼呢?


脈衝雷射

 
如圖一所示,物質中的電子可藉由光吸收得到能量,由基態躍遷到激發態。電子在高能量的激發態停留一段時間後,會自行掉回基態並放出對應能量的光,稱為自發放光(spontaneous emission)。若電子在激發態時,被相同躍遷能量的光「刺激」掉回基態放光,稱受激放光(stimulated emission),其放出的光波與入射光有相同波長與行進方向。雷射的英文為laser,是 light amplification stimulated emission radiation 的縮寫,其原理就是讓許多電子停留在激發態,利用受激放光放大光電磁場,產生高亮度及高指向性的雷射光。
 
 

 

脈衝雷射,就像是照相機的閃光,強度只持續短暫的時間。現今脈衝雷射的脈衝時間,可以短到奈秒(nanosecond, 10-9s)、皮秒(picosecond, 10-12s)、 飛秒(femtosecond, 10-15s)、埃秒 (attosecond, 10-18s)等級。超短脈衝 可將能量集中在很短的時間內,所以 瞬間功率很強。一般1瓦的連續光雷射,1焦耳的能量平均分散在1秒中。 1焦耳能量若集中在1皮秒脈衝光內,根據瞬間功率的定義:能量除以脈衝時間,瞬間功率可達1兆瓦 (1012W), 比平均功率大了12個數量級。

啁啾脈衝


1960 年雷射問世後,脈衝雷射的發展,大致追求2個方向,其一是提高瞬間功率,另一個是縮短脈衝時間。 1970~1990年間,脈衝雷射的瞬間功率遇到瓶頸,停留在100億瓦左右。雖然原理上脈衝雷射可藉由受激放光不斷的放大瞬間功率,但能量最後太高會破壞光學元件而無法再增強。穆胡和史崔克蘭突破瓶頸所用的方法是先降低瞬間功率以提升總能量,因為瞬間功率是能量除於脈衝時間,先將脈衝時間拉長而降低瞬間功率,就能在不破壞光學元件下進一步增加雷射脈 衝的能量。1985年,他們利用1.4公 里長的玻璃光纖將短脈衝的脈衝時間拓寬1000倍以上,不同顏色(頻率) 的光在光纖玻璃中的行進速度些微不同而在時間上分開。......【更多內容請閱讀科學月刊第588期】