超快脈衝雷射與兆赫茲電磁輻射
超快脈衝雷射之應用
現今超快脈衝雷射 (脈衝寬度在飛秒－femtosecond 即 10−15 秒，或皮秒－picosecond 即 10−12 秒) 的應用，已呈現多元且豐富的面貌， 不但在基礎科學研究上有極重要的貢獻，甚至也慢慢地進入日常生活中，成為工商業發展中不可或缺的一環。超快雷射脈衝因其特性， 可大略分為超短的時間持續期 (duration)、超寬的頻譜帶寬 (bandwidth) 及較高的平均功率等三個主要類型的應用。
利用其超短之雷射脈衝，可達到飛秒級以內的時態解析度 (temporal resolution) 及極短時寬脈衝的放大，並能有效地產生 XUV 和 X 射線區域的超短波長光束。而尺寸如桌面大小的脈衝雷射有極高的光強度，亦可提供較可見光光子能量高的非線性光學 (non-linear optics) 新領域之探索。其寬廣的頻寬則形成許多的縱模 (longitudinal modes)，開創許多科技上的新應用，不但可作為頻率標準的革新，並可作為極佳的三維顯像之光學同調輪廓掃描 (optical coherence tomograpy)，甚至超寬頻通訊的應用，亦受益於超短脈衝雷射所提供的眾多縱模數目。高平均功率系統使其成為在高精密、高效率之製造及加工業上的新型工具，即使在高硬度或透明材質上，超快脈衝雷射都能提供較佳的熔蝕成型，讓加工精度大幅提升。
目前以摻鈦藍寶石為增益介質的超快脈衝雷射於光譜學 (spectroscopy)、輪廓掃描、非線性光學、雷射加工、光放大器、兆赫茲電磁波輻射甚至生物醫學等，都有相當多的發展及應用空間，限於篇幅，本文僅將探討超短脈衝雷射於兆赫茲電磁波輻射上的應用。
兆赫茲電磁波輻射
圖一、兆赫茲波段示意圖
兆赫茲 (terahertz, THz；1 THz ﹦1012 Hz) 其頻率位於紅外與微波間的頻段 (圖一)，介於以電子及光子為發展手段的兩大區段間。在凝態物理的研究中，兆赫茲波段是一個非常重要的頻譜，例如大多數原子和分子的轉動及振動能階，都落在此波段，而在光譜分析、無線電天文、遙測、通訊和生物醫學上的應用，都具有相當大的發展潛力。
在 1980 年之前，由於兆赫茲波源取得不易，造成了此頻段在科學研究上的空缺。然而隨著雷射技術的進步與製程技術的成熟，1981 年 G. Mourou 利用 Nd3+:YAG 雷射激發光導開關，得到 50 ps 的微波脈衝，並預言，如果以更短脈衝的光源，將可激發出更寬頻的電磁脈衝。隨後於 1988 年 D. Grischkowsky 等人以光導 (photoconductive) 偶極天線作為接收器，進一步將脈衝頻寬推至兆赫茲數量級，因此成功的跨進了此一領域。
此後，各種使用超短脈衝雷射激發產生兆赫茲電磁脈衝形式的天線陸續出現，如偶極天線、傳輸線、大孔徑光導天線，以及利用半導體表面電場、半導體量子井或線性晶體的光整流特性，均逐步且有效的提升了兆赫茲輻射的效率與強度。在 1996 年，X. C. Zhang 以非線性晶體 (ZnTe) 取代傳統光導天線當作接收器的作法，大幅改善了訊號的頻率響應及訊雜比。在生物科技的應用方面，兆赫茲電磁輻射波和傳統的 X 射線比較，其所帶的光子能量較 X 射線小，而不會造成細胞組織電子游離產生病變，且由於兆赫茲電磁輻射對於不同身體組織的敏感度也較高，因此可取得更多訊息。
由於 1 THz 的能量約為 4.1 meV (35 cm−1)，與半導體系統內激子 (exciton) 的束縛態能量的數量級相當，因此可利用兆赫茲輻射波來探測或研究凝態物體內的載子碰撞與散射等問題。兆赫茲輻射波同時提供了遠紅外線時域光譜 (far-infrared time domain spectroscopy，FIRTDS)，其光譜分析的時間解析度達皮秒級，因此有許多相關研究的文獻，包含氣體、液體、介電材料、半導體及超導體分析量測。如在凝態方面，1990 年 D. Grischkowsky 等人即針對石英、藍寶石等與介電材料與矽、砷化鎵等半導體，研究過其兆赫茲波吸收光譜，發現載子濃度對其吸收特性會有一定程度的影響，並以 Drude Model 為理論模擬得到與實驗數據相吻合的結果。
在 1994 及 1996 年 R. Buhleier 與 Ludwig 分別透過量測超導薄膜電導係數 (ρ) 的結果，決定了電漿頻率 (ωp) 等相關物理量的大小。在 1996 年 J. T. Kindt 等人以穿透式光譜的方法也量測了各種極性液體 (H2O、C2H5OH) 的吸收係數與這些物質的折射率。在 1998 年 Nuss 等人也針對氣體作了相關的光譜量測。在 2000 年，X. C. Zhang 研究團隊則利用差分兆赫茲時域光譜 (differential THz time-domain spectroscopy) 的方式來量測薄膜樣品。
兆赫茲電磁波之輻射機制與方法
圖二、兆赫茲偏壓光導輻射天線及接收天線設置示意圖
產生兆赫茲輻射波的主要方式有電流瞬衝模型 (current surge model) 與二階非線性光整流 (optical rectification) 兩種。本文僅對電流瞬衝模型進行說明。
利用光導天線來產生兆赫茲電磁波，具有天線結構及光導材質兩個重要特性。當超快雷射脈衝藉由適當的光導基板吸收後，載子隨即被脈衝光激發，並由一外加直流電場將載子導離，此時由於瞬時電流的變化，即產生電磁輻射，並由於雷射脈衝寬度及光導材料的載子回復期 (recombination time)，使得整個瞬時電流的變化都在 10−12 秒內完成，是故所產生的電磁輻射乃屬於兆赫茲頻域。由此可知，光導基板必須要有夠快的載子回復期及夠高的載子遷移率 (mobility)，以適當地產生超快瞬時(transient) 變化。
所以當飛秒雷射脈衝激發一偏壓半導體天線時，此天線在很短的時間內即輻射出兆赫茲電磁波。但對於此兆赫茲瞬時電磁波的偵測，還是無法利用傳統的電子儀器 (如示波器) 測量，仍需仰賴相同結構的天線 (或非線性光電晶體) 當作接收器，此時電磁波接收天線就不需外加一偏壓，直接量取此天線接收到的電磁波輻射所造成之微弱電流即可。圖二為傳統利用電流瞬衝模型所製作之天線，經過飛秒光脈衝激發後所產生的兆赫茲電磁輻射，而此兆赫茲電磁波向自由空間傳播後，則可利用一對離軸拋物面鏡進行聚焦及導引，而後同結構的接收天線置於離軸拋物面鏡的焦點上，即可偵測兆赫茲電磁波。
近年來許多天線結構設計都曾被提出並進行研究，一般還是使用大孔徑或偶極天線作為輻射天線。兆赫茲電磁波依其輻射天線的特性與設計及接收器的靈敏度，目前發展中的兆赫茲電磁波系統之輻射功率大多落在 nW 到 µW 數量級之間。
