飛秒技術應用實例 光頻梳 精準更勝原子鐘

中國時報 B4/科學周報 2008/11/23

陳至中/專題報導

科學家追求更精確的時間標準,一種稱為「光頻梳」的新型雷射出現,實現了這個可能。光頻梳由等間隔的脈衝雷射波組成,頻譜看起來就像是整齊排列的梳齒,可運用於精準的原子鐘、GPS系統、雷射雷達,甚至是醫療檢查儀器,應用潛力無窮。

簡單來講,光頻梳就是利用鎖模雷射產生超短光脈衝,特色是相鄰脈衝波時間間隔一模一樣,清大物理系教授施宙聰表示,光頻梳就像是一把擁有精密刻度的尺或計時器,只不過一般的儀器以毫米、毫秒為單位,而光頻梳在長度的測量上精確勝過奈米,時間則勝過飛秒、甚至達到阿秒。

施宙聰表示,科學家很早就瞭解到光頻梳的概念,但鎖模雷射產生的頻梳線,雖然兩兩頻梳線的間隔極為準確,卻因雷射腔之穩定不易,造成每一根頻梳線的絕對頻率,皆會隨時間做一樣的偏移。這就像一把刻度精密的梳子,卻不斷地晃動,如此拿來量東西,就不夠精確。

科學家想到一個好辦法來解決偏移的問題,研究人員將光頻梳低頻率部分通過一個晶體,產生兩倍頻的光頻梳譜線,與原本的譜線相差正好一個偏移頻率,結合兩者,就能「自我校正」光頻梳,以此得出準確的頻率。

校正後的光頻梳應用廣泛,除了作為準確的光學原子鐘,由於可靈敏偵測空氣分子,未來也能發展出醫療偵測儀器,病人只要呼一口氣,就能得知氣體中的各種分子,例如氨可能與腎臟問題有關,乙烷則和部分癌症有關連,較現有的檢查方式便利許多。

另外,光頻梳的頻寬極大,也可以「時域多工」的方式運用於通訊科技。清大光電所黃承彬教授表示,若一個電視頻道需100萬赫茲,相當於每秒個脈衝即能容納一個頻道,如光頻梳的脈衝寬度為秒(即10個飛秒),兩相乘可得,一條運用光頻梳科技的光纖電纜,理想情況下,就能傳遞(100萬)個頻道。