｜埃秒雷射原理與應用簡介

摘要：科學家對於細微尺度科學的不斷探究，讓我們開啟了一個全新的美麗新世界。上世紀末，長久的研發努力後，奈米科技（Nano-technology）已經開花結果，在不同工程領域都找到應用。那在細微時間尺度的方面呢?邁入二十一世紀，超快光學也引導我們進入另一個世界，除了飛秒（Femto-second）雷射已經成功運用在電子業微加工上，最新的發展則是埃秒（Atto-second）雷射。相較於奈米科技，埃秒雷射尺度更小，能夠更接近原子內部，除了將是物理學家探討原子物理的新利器外，原子-電子-光子間各種有趣的反應，也使得它成為工程應用的處女地，等待我們去開發的另一“埃秒新世界”。本文將簡單介紹埃秒雷射原理，如何產生埃秒雷射以及可能的應用。

Abstract: The zeal of pursuing smallest world has driven scientists to open an all new small “great beautiful world”. Nano technology can be found in different applications now. However, the term “nano”has no longer been the smallest scale that can be realized. By the end of last century, super-fast lasers have been fabricated and successfully applied in the electric industry. Into the twentieth century, atto-second optics can be one of the newest developments of physics. Scientists have successfully developed atto-second duration laser technologies. Different interesting phenomena have been observed especially the interaction between high energy photon and atom. Possible applications have been investigated for this frontier of new technology. In this article we will introduce the principle of atto-second laser, its method of generation, photon-material interaction physics under atto-second scale and future developments.

關鍵詞：埃秒雷射、超快雷射、傳導電子、光電效應、雷射脈衝攝影、載波包絡相位穩定器

Keywords：atto-second laser, super fast laser, conduction electrons, photo-electric effect, laser pulsed photography, CEP stabilizer

前言
天文學家追求無窮盡的宇宙大空間，科學家與工程師則追求無限小的世界。奈米科技讓我們看到極小空間中包含了一個宇宙，物理學家也正在努力揭開物質在無限短的時間單位內的變化。依據不同遠近年代科技，能探究的“剎那”世界也愈來愈加快速（如圖一）。上世紀末，飛秒雷射已經被研製成功並運用在電子業微加工上，進入21世紀更快速的埃秒雷射也將引導我們進入一個深入原子內部的未知世界。埃秒尺度下可以發生甚麼事呢？表一是不同埃秒尺度代表的物理意義。

一個電子環繞氫原子一圈，僅需150埃秒（attosecond，10-18秒），這相當於兩億年裡秒針滴答一次的光陰。當如此短暫時間內的光子碰撞原子，會有何種反應呢? 在超短雷射脈衝的幫助下，電子的運動現在能否即時追蹤呢?這些情況可能都和我們現有的認知大異其趣，應用範圍也將與過去的雷射有所不同。為了探討如此短暫的現象，物理學家製造了埃秒尺度的雷射閃光，通常的方式是去激發電子，然後讓電子釋放出閃光。科學界第一個單一短於飛秒（650 attosecond）的雷射脈衝光，是2001年[4]（Hentschel et al., Nature 414, 509, 2001）奧地利維也納科技大學克勞茲（Ferenc Krausz）博士所領導的研究小組[5]（ Laser Focus World, February 2002, p. 17） 以軟X光（soft X-ray）結合數週期長的短可見光照射得到。他們後來又發展出精準的測量方法，以埃秒尺度的X光照射氖原子，把電子「敲下來」。接著利用第二道光脈衝，將這些電子掃到另一邊。當電子完全敲落之後，便可量測它們的能量。如此一來，研究人員就能夠求得原來脈衝的週期：250埃秒[6]（Alexander Hellemans, Scientific American May, 2004 & A. Scrinzi）。他們的成果雖然有開創性，但使用的是軟X光，無法打進物體裡，除探測或影像外實用性較小，現在其他學者也以飛秒雷射為基礎構架，發展波長較長的脈衝光，希望能用於改變物質的應用上。

科學家的工作是先瞭解物理現象，之後才能有應用發明；而新的發明，也能修正過去錯誤的觀念。舉例來說，當初人們以為馬在急速奔跑時，必須要有一隻腿接觸地面，但快速照相技術發明後，證實馬事實上是騰空躍起，四隻腳都會離開地面。貓舔牛奶時，亦不如一般想像是向外捲屈舌頭把牛奶盛進口中，而是向內彎曲，在舌底下方把牛奶帶進口中。這些都是在快速攝影技術發展出來後，才揭露在人類眼前的真相。想像半導體產業發展的28奈米製程，依照電子交換的速度如果要觀察電子在如此細微尺度的運動與變化，就需約100埃秒的脈衝，才能達到需要的解析度。埃秒雷射等於是我們的時光顯微鏡，探入原子內部。此外當埃秒尺度的雷射光能量足夠時，我們將可操作單一電子，愛因斯坦（Albert Einstein）所完成的光-電作用研究可以被驗證，現代量子理論或許可以找到廣泛的應用。

本文將簡單介紹埃秒雷射原理、埃秒光-電作用、如何產生埃秒雷射脈衝、理論模式及其潛在應用。