雷射技術知識庫

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超快雷射與啁啾脈衝放大

超快雷射指的是脈衝寬度在皮秒（10⁻¹² 秒）到飛秒（10⁻¹⁵ 秒）之間，甚至到阿秒（10⁻¹⁸ 秒）的雷射。這類雷射的價值不只是「很快」，而是把能量壓縮在極短的時間裡。

為什麼要短脈衝

脈衝的峰值功率大約等於脈衝能量除以脈衝寬度。1 mJ 的能量若壓縮在 100 fs 內，峰值功率約為 10 GW（1×10⁻³ J ÷ 1×10⁻¹³ s = 1×10¹⁰ W）。同一份能量放在奈秒脈衝裡，峰值功率只有百萬瓦等級。

短脈衝有兩個重要用途：一是時間解析，可以「拍攝」化學反應與電子運動等極快的過程；二是高峰值功率，材料吸收能量的速度快過熱擴散，加工時熱影響區小，適合精密微加工。

脈衝寬度與頻寬

脈衝越短，頻譜必然越寬，這是傅立葉轉換的結果。對高斯形脈衝，時間與頻寬的乘積下限約為 0.441。以 100 fs 為例，頻寬至少約 4.4 THz，換算到 1030 nm 中心波長，約是 15 nm 的光譜寬度。因此超快雷射需要寬頻的增益介質（如 Ti:sapphire、摻鐿材料），光學元件的色散也必須被仔細管理。

鎖模

共振腔內同時存在許多縱模，各模式的頻率間隔等於腔的重複頻率。若這些模式的相位被鎖定在一起，它們相干疊加就成為一串規律的短脈衝，這就是鎖模（mode-locking）。腔每繞行一圈輸出一個脈衝，所以重複頻率等於腔的繞行頻率；以折射率約 1.46 的光纖環形腔為例，25 MHz 對應約 8 公尺的腔長。

鎖模可以主動（以調變器）或被動（利用可飽和吸收或非線性效應，如克爾透鏡、非線性偏振旋轉）達成。1964 年首次展示鎖模，1991 年克爾透鏡鎖模讓 Ti:sapphire 成為實用的飛秒光源。

為什麼需要啁啾脈衝放大（CPA）

短脈衝在放大器裡有一個麻煩：峰值功率太高時，增益介質與光學元件會被損傷，光纖中也會因非線性（如自相位調變）使脈衝畸變。

1985 年 Strickland 與 Mourou 提出的 CPA 用三步驟解決這個問題：

  1. 展寬：用光柵或色散元件把飛秒脈衝在時間上拉長成皮秒到奈秒，降低峰值功率。
  2. 放大：在安全的峰值功率下，把脈衝能量放大數個數量級。
  3. 壓縮：用互補的色散元件（例如光柵對）把脈衝壓回接近原本的寬度。

這個方法使得拍瓦（10¹⁵ W）級的超快雷射成為可能，兩位發明者因此在 2018 年獲得諾貝爾物理獎。今日的工業級飛秒雷射，也大多採用類似的展寬、放大、壓縮架構，只是尺度小得多，常做成全光纖或光纖搭配固態放大。

實際系統仍要處理許多細節：光柵壓縮器的損耗與熱效應、高階色散造成的脈衝底座、以及放大過程中的增益窄化，這些都會讓輸出脈衝寬度大於理論極限。

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