【 發布日期 】: 2012-11-09
【新聞來源】: 清華出版社試閱版《 DNA搭頭等艙》清華電機系黃承彬副教授
光，不是宇宙中，速度的極限了嗎！？
那，甚麼叫「超快光學」？
有一種比普通的光還要快的光？難道，
又，若真的有所謂的「超快光學」，
難不成，還有所謂的「超慢光學」？
為解答您的疑惑，本文將針對超快光學一詞提出一個簡明的定義，接著說明達成超快光學的基本要素，最後會探討一些超快光學在一般生活或產業上的應用實例。
超快光學
在我們生活中拍攝照片的經驗裡，我們清楚地知道，快門時間越短，才愈有可能清晰地捕捉住快速移動物體的運動軌跡。其中最具代表性的例子，即為西元 1872 年，英國攝影師邁布里奇（Eadweard Muybridge）在美國前加州州長史丹佛（Leland Standford，同時也是著名的史丹佛大學的創辦者）的挑戰下，將賽馬奔馳的過程記錄下來，藉以了解馬在奔跑的過程中，是否存在一個完全騰空的短暫時刻？在那之前，絕大部份的畫家在描繪馬的奔跑時，都會將一至兩個蹄置落於地面上。當然，在今天，馬在奔跑的過程中存在一個完全騰空的短暫時刻已是人人皆知的
基本常識了。但在那時，底片曝光的時間，是由攝影師的手將一金屬板作開、關的動作來決定，這麼慢的快門，是絕對無法精確捕捉那四蹄騰空的美妙時刻的。因此，邁布里奇不斷地利用機械結構上的設計，改良他的相機快門，並將快門時間縮短至一秒鐘的六十分之一。
如圖 2-1 所示，在 1878 年，邁布里奇利用多台「高速」相機，成功地將馬全速衝刺的時間序列一一記錄下來，並且在連續播放下得以重現馬奔跑的實貌。此舉不僅開啟了電影的先河，也同時揭開了超快光學的序幕！
從以上的小故事可以得知，我們對這個世界的認知，大幅地受到在時間上觀測的細微程度所影響。唯有當快門時間較移動物體的速度還短的情況下，我們才能夠完整地解析物體的軌跡，從而得到全面的了解。
藉由上述的例子，我們有了以下結論：
超快光學最簡單的定義，
就是要製造出一個人為最短的快門－光脈衝
從而幫助人類了解我們所處的世界。因此，
超快光學並非取決於光的行進速度，
而是由光脈衝的時間寬度來定義的。
超快光學是一個備受矚目的前瞻研究領域之一，其研究重點在於產生時間上極短的光脈衝。這些超短光脈衝的寬度從早期的皮秒（picosecond, 10-12s）範圍，逐漸降低至數飛秒（femtosecond, 10-15s），並且一直被縮減到近幾年的數十個埃秒（attosecond, 10-18s）。這些超短脈衝是人為所能造成的時間上最短的開關，主要的功能，在於提供科學家探測電子、原子、分子、生物以及半導體系統中動態的能力之用。1999 年的諾貝爾化學獎，即頒發給加州理工學院的齊威爾教授（Ahmed H. Zewail），以表彰其利用飛秒光脈衝，忠實紀錄化學反應中每個微細變化的貢獻。
說到這邊，各位或許對光脈衝究竟是甚麼仍感到一頭霧水。因此，在這一部份，本文將簡單講解何謂光脈衝，並且說明如何產生超短光脈衝。最簡單也最貼近我們日常生活的脈衝，就是我們的心跳了。相信大家都有量心電圖的經驗：儀器上顯示的一個又一個的波形，就是因心臟收縮而產生的脈衝；倘若將波形的源頭換成是光的話，產生的就是光脈衝了。讀者們可以做一個小實驗（但千萬注意眼睛的安全）：拿一支常見的雷射投影筆，照射在遠處的牆壁上。此時各位可以用空著的另一隻手來當作是產生光脈衝的開關，當手擋住投影筆時，牆壁上沒有光，而當手未擋住投影筆時，牆壁上就會有雷射光點。在這先恭喜各位，成功地產生了雷射光脈衝！但要注意的是，此時的光脈衝時間寬度
圖2-1 以高速相機記錄賽馬奔跑實貌
一定是非常長的，畢竟再快的手，也無法一秒鐘切換超過 1000次（脈衝時間寬度約 10-3 秒）吧？所以，這個方法僅能夠產生光脈衝，但是卻無法產生超快光學所需的皮秒以下的超短光脈衝。
說到這，我們必須來探討一下光脈衝的特性。
何謂光脈衝？我們先了解產生光脈衝的兩大關鍵要素：
1. 超短光脈衝的產生需要很大的頻寬
也就是說要能夠產生光脈衝，並須同時要有很多種顏色的光，一起作用才行。請各位見圖 2-2(a)，假設一開始分別有紅色與綠色的光，我們將它們在時間上點對點相加，就可以得到如圖二 (b) 的胖胖光脈衝。假使我們如圖 2-2 (c) 所示，再加入一道藍光，並且將三種顏色的光在時間上點對點相加，此時的光脈衝（圖 2-2(d)）就明顯變瘦了！這就是頻寬與脈衝時間寬度的相對關係：越大的頻寬（越多的頻率成分，也就是越多種顏色），就能夠在時間上產生越短的光脈衝。
在此提供讀者們一個頻寬（Δf）與脈衝時間寬度（Δt）之間，簡單的數學關係：
Δt ≈ 1/Δf此相位鎖定的專業術語稱為雷射鎖模（laser mode-locking），礙於篇幅的關係，我們無法在此加以詳細闡述。
圖2-2 超短光脈衝之波長頻率
2. 超短光脈衝的產生還需要鎖定所有頻率成份的相位
但是我們可以用生活化的語言，交代一下甚麼叫相位，以及相位鎖定的意義。相位基本的概念，就是訊號有沒有在時間上一起出發，一起結束。我們可以用最簡單的數學來加以理解：餘弦函數 cos(t)與正弦函數 sin(t) = cos(t-π/2)，因為相差了一個 π/2（90 度）的相位，所以在時間上，正弦函數較餘弦函數延遲了四分之一個週期。因此，相位的鎖定，就與指揮一個合唱團或是管弦樂團非常相似，要演奏出和諧美妙的樂章，必須要有一個指揮告訴成員們，何時開始，做甚麼事情，並且同時結束。所以，在此簡短地整理一下產生飛秒（10-15s）短脈衝的兩個必要條件：
頻寬必須大於 10-15 Hz，並且所有頻率成份的相位需要鎖定。
超短光脈衝的產生，除了能夠提供人為最短的快門，做為探測電子、原子、分子動態解析之外，從光強度的角度來看，超短光脈衝的形成，等同於將一固定的能量，在一個極短的時間內釋放出來。瞬時光功率數學上的描述為 Ppeak = U/Δt，其中 U 為光脈衝的能量，Δt 就是前述的脈衝時間寬度。打個比方，超短光脈衝就像是一個時間上磨成的繡花針，扎起來相較於鐵杵是痛得多的。因此雖然光的能量可能很低，但是因為 Δt 非常短，卻能夠達到極為驚人的瞬時光功率。
圖2-2 超短光脈衝之波長頻率（續）
生活中超短脈衝光的應用
這個特性被廣泛地應用在「非線性光學」上。非線性光學探討的重點是：
當光強度達到一定程度後，光與物質的交互作用能夠產生新的光頻率成份？
最簡單的例子就是二倍頻產生，數學上的描述為 eout(t)∝e2in(t)。當我們入射一道角頻率為 ω0 的光（ein(t) = Aexp(jω0t)）後， 透過非線性效應(e2in ( t )） 所得到的輸出為 e o u t( t ) =Bexp( j2ω0t)，此時各位可以輕易地看到輸出光的角頻率倍增為為2ω0，也就是入射光的二倍頻產生。而超短光脈衝在非線性光學最大的助益，就在於能夠於脈衝存在短暫的瞬間，提升光的強度，從而大幅度地增加非線性的光轉換效率。透過超短光脈衝與非線性效應，我們不僅能夠如圖 2-3(a) 所示，自由地轉變光的顏色，甚至可以如圖 2-3(b) 所示，將入射光的頻寬大幅增加，產生所謂的超連續頻譜。2005 年獲頒諾貝爾物理獎的光頻梳，也與超短光脈衝和非線性效應之結合，有著非常緊密的關係。超短光就是那道光
脈衝所擁有的高瞬時光功率特性，以及上述純學術的探討之外，也大幅地被應用日常生活中：舉凡是光纖通訊、雷射切割、近視手術、甚至是美容手術上，超短光脈衝都扮演著關鍵的角色。更好玩的是，如圖 2-4 所示，透過脈衝塑形的技術，我們甚至可以任意的改變這些超短脈衝的長相!因此，僅藉由此短短的篇幅，
希望讀者能夠理解何謂超快光學，以及體認到超快光學帶給我們便利生活的緣由。
圖2-3(a) 超短光脈衝形成非線性效應可使光的顏色改變
圖2-3(b) 入射光頻寬大為增加，形成超連續光譜
圖2-4 脈衝塑形可改變超短脈衝的樣貌
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