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固態白光雷射技術大突破 清華電機暨光電所研究成果登光電領域國際重要期刊Optica

清華電機系暨光電所「前瞻光電實驗室」與中研院原分所合作,費時3年成功突破技術侷限,一舉將固態白光雷射脈衝能量提升一百倍。未來可應用於DNA造影、10奈米以下電子元件微影製程及檢測、並探索奈米磁性材料的動態極限。此創新突破獲得光電領域國際重要期刊Optica的重視,研究成果於20141210日刊出。

Optica為美國光學學會(OSA)2014年中新推出的旗艦期刊,目標設定為與歐洲主導的自然系列(特別是Nature Photonics)相抗衡,為極有潛力的國際期刊。此篇研究成果是台灣第一篇登上Optica的論文,具重大意義。

白光雷射的巨大頻寬可貢獻於光學同調斷層掃瞄、光學顯微術、精密度量衡等技術領域。過去以飛秒雷射打入單一固態介質或光子晶體光纖的技術受限於強烈的自聚焦、介質崩潰問題,只能產生有限的白光能量。如欲產生更強的白光雷射脈衝則需使用複雜之真空系統及作用長度達公尺等級的氣體介質,嚴重限制其實用性。本校電機系暨光電所「前瞻光電實驗室」與中研院原分所合作,率先發表以數個適當排列的固態介質薄片克服自聚焦、介質崩潰問題,一舉將固態白光雷射脈衝能量提升一百倍。此一新技術不但具有優異的光束品質及同調性,並達到系統精簡、高重現性的優點。對於目前以高重複率(0.1-1 MHz)飛秒雷射脈衝為光源的最新技術潮流可佔獨特應用優勢。楊尚達副教授表示,固態白光雷射的技術突破可催生具實用價值的桌上型X光雷射,未來應用潛力無窮。其超高(奈米級)空間解析度可以實現DNA造影、10奈米以下電子元件微影製程及檢測。此外更進階的X光雷射單脈衝是目前唯一兼具奈米級空間解析度及埃秒(10-18)級時間解析度的科學工具,可用於探索奈米磁性材料的動態極限,開發足以支援當前大數據(Big Data)潮流的新型資料儲存元件。

「前瞻光電實驗室」由前光電所所長孔慶昌教授發動建立成員包括孔慶昌(中研院原分所合聘) 、楊尚達、陳明彰、黃承彬、林彥穎等,2011年暑假建立以來師生即投入此項研究。「這項突破是在學生意外嘗試下得到的靈感!」楊尚達副教授表示。耗費超過3年時間終於達成突破,楊尚達老師認為,此研究成果成功關鍵是放手讓訓練有素的學生勇於嘗試新的可能,老師們則扮演以嚴謹方法辯證學生發現的角色,經由持續多項嚴謹的辯證實驗才確定這項新技術的可行性。

研究團隊中的盧志軒博士生就是在一次意外實驗中發現此現象的關鍵人物。「當初正在做另一個計畫,不小心發生失誤,把晶體碰撞在雷射光路上,發現了這個固態白光雷射脈衝能量現象。」盧志軒同學感到非常特別,立即向師長報告這個發現,因此研究團隊轉而朝向這個特殊現象進行研究,產生更多驚人的發現,相當令人振奮!這個意外可說是一個「美麗的錯誤」。

由於論文已經提出相當完整的實驗證據預防可能的質疑,審稿過程相當順利,成為台灣第一篇登上Optica國際期刊的論文。楊尚達副教授強調,研究團隊專注用心、追求卓越,學生素質優異,進取心旺盛,讓我們有機會和世界頂尖團隊一搏。

 

The ultra-broad bandwidth of white-light continuum has a profound impact on optical coherence tomography, 2D and 3D microscopy, and high-precision metrology. Limited by the rapid formation of multiple filaments and optical breakdown in the solid, only a few microjoules of white-light pulse had been produced via nonlinear interaction between femtosecond laser pulse and condensed medium. Meters-long vacuum tube filled with gas has to be employed if stronger white-light pulse is desirable. The “Frontier Photonics Research Laboratory” in the University’s Department of Electrical Engineering and Institute of Photonics Technologies in collaboration with Academia Sinica reported a 100-fold increase in white-light pulse generation via multiple properly-spaced plates of a bulk material. The pulse energy, mode quality and coherence properties can approach those of supercontinuum generated in gases while preserving the advantages of being compact, simple to align and operate, and high reproducibility of a solid medium. The revolutionary approach is expected to have unique advantages in the recent trend of high repetition rate (0.1-1 MHz) isolated attosecond pulse generation, where gas-phase supercontinuum generation is strongly restricted for the lack of sufficient peak power. This work is reported in “Optica”, the new flagship journal of Optical Society of America. Investigators of “Frontier Photonics Research Laboratory” include Shang-Da Yang, Ming-Chang Chen, Yen-Yin Lin, Chen-Bin Huang, and Andrew H. Kung (jointly appointed by Academia Sinica).

 

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