簡介2018諾貝爾物理奬：
啁啾脈衝放大技術Chirped pulse amplification

張祐嘉助理教授

 

 

2018年的諾貝爾物理奬頒發給雷射物理的兩個發明：Gérard Mourou和Donna Strickland因發明了啁啾脈衝放大(chirped pulse amplification, CPA)技術而獲奬，Arthur Ashkin則因光鑷(optical tweezers)的發明而獲奬。Gérard Mourou是張祐嘉老師在密西根大學指導教授Theodore B. Norris的指導教授，本期系刊將由張祐嘉老師介紹CPA的原理。

 

我們先談談1985年當時發明CPA的背景。雷射的構想最早於在1958由Arthur L. Schawlow和Charles H. Townes提出（他們分別獲得1964年和1981年諾貝爾物理奬），並由Theodore H. Maiman於1960年製造出第一個雷射，當時Maiman使用紅寶石做為增益介質。此後科學家不斷試圖發展更高功率的雷射。其中一個突破是鎖模(mode locking)技術的發明，可把光的能量集中在很短的時間內，產生出瞬間功率很高的光脈衝(optical pulses)。科學家們想要將這些光脈衝再通過增益介質，以增強到更高的功率，但卻發現光脈衝太高的瞬間功率會損壞增益介質。由於這個瓶頸，當時的雷射功率很難再提升。

 

圖一. 啁啾脈衝放大原理的示意圖。© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences (The illustrations are free to use for non-commercial purposes).

 

在1985年時，Donna Strickland仍就讀於University of Rochester博士班，Gérard Mourou是她的指導教授。他們從無線電波頻段的技術中得到靈感，想在光學頻段下，先把一個光脈衝先拉長，使瞬間功率下降。如此一來就可以使用增益介質將已拉長的光脈衝增強，卻不會造成增益介質的損壞。之後再將這些光脈衝的長度再壓縮回短脈衝，如此就能得到極高瞬間功率。其原理如圖一所示。他們用來拉長脈衝的方法是藉由色散(dispersion)現象，控制不同波長的群速度(group velocity)產生線性啁啾(chirp)，將脈衝中不同波長的成份在時間上拉開。最後再用相反的色散，就能把原來拉開的脈衝壓縮回來，這也是為何此技術取名為CPA。Strickland最初的CPA實驗將nJ的光脈衝放大了六個數量級，達到mJ等級的光脈衝能量[1]。這使得已多年停滯不前的雷射功率得到巨大的提升。後來的實驗展示了九個數量級的放大。

圖二. Femtosecond等級的短脈衝在醫療手術中可產生更小的傷口。© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences (The illustrations are free to use for non-commercial purposes).

 

值得一提的是，這篇1985年的論文是當時仍是博士班學生的Donna Strickland，在研究生涯中發表的第一篇文章。她成為了歷史上唯三獲得諾貝爾物理獎（另外兩位為Marie Curie和Maria Goeppert-Mayer）的女性科學家。CPA為雷射帶來革命性突破，使得極短又高能量的光脈衝成為可能。這些光脈衝除了在基礎科學上被用來研究材料的動力學現象、核物理和粒子物理，在工業和醫學更有廣泛的應用。極短又高能量的光脈衝在醫療上被廣泛運用於近視和散光手術，可產生更小的傷口（如圖二所示）。工業上也用於精密雷射加工。

 

[1] D. Strickland and G. Mourou, Compression of amplified chirped optical pulses, Opt. Commun. 56, 219 (1985).