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應用於兆赫波激發之超快雷射源技術發展

刊登日期：2021/02/01

摘要

80年代後超快雷射的快速發展，各類相關研究也受惠於此蓬勃而起。由於超快雷射的特性：能量脈衝間隔極短(10-12秒等級)，擁有高峰值功率(Peak Power)，在介質上可產生如自相位調變(Self-phase Modulation)等非線性效應，進而應用於生醫檢測的超連續光譜。也可配合特殊天線產生應用於環境氣體檢測、影像透視的兆赫波(Terahertz)，其具有高度穿透性且對人體無害等特性，相關產品可應用於安全檢測、材料檢測及藥物生醫檢測等。其中高能光纖飛秒雷射模組、高靈敏光導天線與微流道氣體儲存單元，未來上述都將有機會以微型化、低成本方式開發出高準確暨高效率優勢的兆赫波檢測系統來實現。

Abstract

With the rapid development of ultrafast lasers after the 1980s, various related researches were also benefited from this boom. The ultra-fast laser has characteristics of very short pulse width (10-12 second level) with high peak power. This feature can produce the Non Linear Effects (NLE) such as Self-Phase Modulation (SPM) and those effects can generate supercontinuum spectrum for biomedical detecting. It also can be used with special antennas to generate Terahertz waves (THz). The application of THz systems could be used in ambient gas detection and image fluoroscopy. The Terahertz waves are highly penetrating and harmless to human body. The developed THz products can be used in safety testing, material testing, and drug biology detecting etc. The THz system includes: high-energy femtosecond fiber laser module, high-sensitivity photoconductive antenna and micro-channel gas storage unit. In the future, it will have the opportunity to develop a high-accuracy and high-efficiency Terahertz wave detection system in a miniaturized and low cost way.

前言
鈦:藍寶石鎖模雷射的發明揭開了超快雷射急速發展的序幕，從微結構加工到光纖通訊，從生醫檢測到非線性顯微鏡，超快雷射都扮演著這些技術關鍵組件光源[1]。然而以寶石類為增益介質的固態雷射終究以大體積、高維護成本與需光路校正不穩定性無法作為普及化光源的首選。在1966年，高錕博士提出利用二氧化矽為材料製成光纖，突破了能量在光纖中傳遞損耗過大的困擾。而後在光纖製程中摻雜了微量稀土元素，實現了光學訊號放大器，通訊用的光訊號再也不用經歷光轉電放大再電轉光傳遞的能量損失。雙纖衣光纖(Double Cladding fiber)與大模孔徑光纖(Large Mode Area Fiber)的誕生使得千瓦級的全光纖架構雷射成為現實[2]。由於光纖本質材料的可繞曲性，大大降低了雷射設備的體積，使得機台的空間設計更充滿了彈性。以全光纖式的架構更是減少了以往人工對光的不便利性，減低設備的維護成本。諸如此類的優異表現使得越來越多人投入了光纖雷射的開發中。
而雷射的輸出形式可簡略分為兩種，一為連續波形式(Continuous Wave)，另一種為脈衝(Pulse)輸出形式。連續波的形式代表著不間斷的能量連續輸出，這種輸出方式非常適合金屬板材切割、焊接等需要高功率的光學需求。相較於連續波的輸出，脈衝輸出的形式則降低了被加工物上的熱累積，減少於加工處的熱損毀，若將連續波雷射比喻為槌子，而脈衝雷射便可視同於釘子，同樣敲擊於木板上，前者會使木板破碎，而後者可以貫穿，所以脈衝式的雷射適合用於需要高精密度的精細微加工。
由於超快雷射擁有極短的能量輸出時間，極高的峰值功率，寬廣的頻譜分佈與優越的相干性。在機械加工方面除了常見的打印外，也可用於表面材料改質。在生醫影像方面可應用於雷射掃描螢光顯微鏡(Laser Scanning Fluorescence Microscopy)、光動力療法(Photodynamic Therapy)與光學同調斷層掃描(Optical Coherence Tomography)。光電通訊中，則推進了光學、電光採樣(Optical、EO sampling)與超快類比數位轉換(Ultrafast A/D Converters)的發展。在量測領域中，除了直接使用雷射進行精準測距的雷射遙測技術(Light Detection and Ranging)外[3]，使用超快雷射產生兆赫波來做鬼影成像與氣體成分檢測等也是近期科學應用研究的熱門主題。本文將就超快雷射的產生機制與藉由超快雷射誘發兆赫波的技術原理和其應用作一簡介說明。
超快雷射產生技術
產生雷射的條件包含了泵浦、增益介質與共振腔，泵浦提供的能量將增益介質中的電子提升至激發態，再經過短暫的生命週期至暫穩態，而後回復至基態並釋放出光子。此時若用一腔體使得光在此腔體中來回震盪，並使得腔體中的增益大於損耗，在受激態的電子將被這訊號光所引導，便會釋出相同相位、強度與頻率的光訊號，以上敘述可由圖1說明。我們可以選擇適當的增益介質與波長篩選元件進行光訊號的波長調製，而在不斷重復吸收受激輻射的過程中，在腔體中的訊號將進行擇強汰弱的機制，輸出擁有相同特性的受激輻射放大光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。
類似於在增益介質與波長篩選元件中進行波長調製，若改變腔體中的增益與損耗進而控制雷射的輸出行為，便可以進行脈衝雷射的產生。而這技術便是市面上主要奈秒雷射常見的Q-switching。細分Q-switching的調製方法，一般使用聲光調變器(Acoustic-optical modulator)或是電光調變器(Electric-optical modulator)來達到調變腔內損耗的功用，進而使雷射產生脈衝的方式。想像在雷射共振腔中放置一道閘門，在泵浦對增益介質進行輸出時，不斷地將電子激發至上能階，突然將閘門進行開啟，一道即時而強大的光能量便宣洩而出。這種利用調製腔內品質產生脈衝的方式，脈衝寬度取決於使用的增益介質與雷射腔體內居量反轉的程度，其產生的雷射脈衝寬度約是奈秒(10-9秒)等級。