技術簡介和國際活動                                                                                                 作者:黃一展

這次的國際合作計畫[HyperMu Experiment: measurement of the hyperfine splitting in muonic hydrogen]是由清華大學劉怡維教授團隊、陽明交通大學陳姿伶教授團隊與瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的Aldo Sady Antognini教授及其團隊在保羅謝爾研究所（Paul Scherrer Institute, PSI）的共同合作。PSI擁有特殊的環境優勢，能生成μ子氫（muonic hydrogen），為研究質子半徑問題提供了獨一無二的機會。透過精密的雷射光譜學，我們計畫探測2S-2P能級的微小能量差異，進一步推動基礎物理學的精準測量。

我們團隊在此計畫中承擔的工作為：提供窄線寬1.24微米的種子雷射光源（seed laser），為之後建造一台能產生6.8微米遠紅外脈衝光的CSP-OPO雷射系統做準備。此紅外脈衝雷射可用於深入研究μ子的特性。與以往使用龐大架構產生6.8微米雷射的系統相比，這項研究採用CSP-OPO架構，有助於簡化光源系統，不僅降低維護成本，還提升了設備的機動性和靈活性。

機會與背景

我於2018年博士畢業於清華大學光電所，專長於雷射光譜技術與資料分析，並於2022年加入陳姿伶教授的實驗室，專注於應用精密雷射遠紅外光譜技術改善氣溶膠混合態的測量準確度。

種子雷射的設計與挑戰

為了滿足穩定性和可調波長的需求，我們選擇了External Cavity Diode Laser (ECDL) 架構，並採用了改良的Quasi-Littrow設計以克服傳統架構的限制。

為什麼選擇Quasi-Littrow架構？

傳統的Littrow架構雖然簡單且穩定，但在調整波長時，雷射的出光角度會發生改變，這對後續的光學耦合效率是一大挑戰。因此，我們採用了Quasi-Littrow架構，將這一缺點最小化。我們選擇使用半導體增益光二極體（Diode Optical Gain Chip）代替傳統的二極體雷射（Diode Laser），並搭配極性維持單模光纖（PM Fiber Pigtail）。這樣的設計能讓雷射光的光斑接近完美的TEM00模式，從而大幅提升種子雷射耦合進CSP腔體形成OPO的效率。

另一方面，傳統的Littrow架構的設計中需要在出射光與外腔反饋光之間取得平衡，為了提升反饋光強度，往往需要犧牲部分出光功率。而Quasi-Littrow架構則將反饋光與出射光完全分離，讓我們可以在不影響出光功率的情況下，將反饋光優化至最佳狀態。在此設計中，我們還加入了一個1/4波片（Quarter-wave Plate），用於優化增益光二極體與回饋光柵對偏振光（Polarization）的依賴性，進一步提高了外腔的穩定性與效能。

實驗進展與成果

經過數月的設計、組裝與測試，我們在2023年11月成功確認了種子雷射的性能。量測結果顯示，雷射單模發光的波長範圍從1200 nm延展至1270 nm，寬達70 nm，為後續實驗提供了充足的可試範圍及彈性。此外，雷射的運作溫度穩定性及長期頻率穩定性也達到了預期目標。在開機穩定一天後，未鎖頻漂移可控制在0.4 GHz/小時內，這樣的數據下可以理論預期此雷射能鎖頻長達1個多禮拜，這樣的結果我們非常滿意。

這些成果讓我們對種子雷射的性能充滿信心。經過雙方多次討論，確認該雷射已完全符合CSP-OPO的要求。我們於2024年5月攜帶這台雷射前往瑞士蘇黎世PSI實驗室，進行實地整合。
   

得益於充分的準備，種子雷射與PSI團隊現有的系統整合過程非常順利，順利搭建完成CSP-OPO的初步光學系統。接下來，瑞士團隊將繼續迎接下一個挑戰——成功產生6.8微米遠紅外脈衝光。

收穫與致謝

這次合作不僅是技術上的挑戰，也是一場跨文化的學習旅程。能與瑞士團隊攜手合作，不僅拓展了我的專業視野，也學習到了不同的實驗室的精神，例如:進入他們光學實驗室彷彿盡如無塵室一般的配置，對於安規則是對待的非常謹慎，比起實驗的成功，即使會帶來一些不方便跟犧牲了一點效率，他們更在乎著實驗人員的安全，這樣的謹慎也貫徹著整個實驗精神，μ子氫是一個非常龐大的科學計畫，有非常多的國際實驗室參與，但每一個微小的行動都可能影響著成敗，充分感受到將每一件小事做好才能成就大事的精神。非常感謝此次清華大學劉怡維機會及交通大學陳姿伶教授幫忙組織與Aldo Sady Antognini教授的合作機會，也謝謝同樣是清大光電所的陳威霖博士，在瑞士本地提供了許多幫助。