超高時間解析量測 編者序 在現今凡事追求 快 的時代裡 所有科學研究 及工程技術無不朝著這個方向迅速發展前進 最典 撰文 羅志偉 很快科學家就能揭開埃秒尺度下各種變化的神秘面 紗 型的例子就是時間量測工具的發展 十九世紀初期 或許對很多人而言 超快雷射 仍然是個很 科學家在只有毫秒 (ms) 尺度的

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1 物 理 雙 月 刊 目 錄 1 物 理 專 文 - 諾 貝 爾 獎 特 輯 2 編 者 序 朱 士 維 4 影 像 技 術 大 躍 進 - 談 CCD 的 發 明 王 祥 宇 9 CCD 在 光 譜 研 究 上 的 應 用 崔 祥 辰 劉 志 毅 13 CCD 於 生 物 醫 學 影 像 之 應 用 陳 培 菱 18 數 位 影 像 之 遙 測 優 勢 陳 良 健 林 唐 煌 24 後 來 居 上 的 CMOS 影 像 感 測 器 雷 良 煥 黃 吉 成 徐 永 珍 30 光 纖 的 演 進 及 其 關 鍵 技 術 應 用 葉 建 宏 鄒 志 偉 38 科 學 家 的 生 活 隨 想 38 預 警 林 秀 豪 40 觀 點 世 界 末 日 吃 湯 圓?! 吳 俊 輝 42 本 月 物 理 史 42 哈 伯 (Edwin Hubble) 擴 大 我 們 對 宇 宙 的 視 野 蕭 如 珀 楊 信 男 44 海 森 堡 (Werner Heisenberg) 的 測 不 準 原 理 蕭 如 珀 楊 信 男 46 物 理 新 知 46 從 天 鵝 座 χ 星, 看 太 陽 最 終 的 命 運! Yin-Chih Tsai 48 科 幻 成 真? 未 來, 可 利 用 黑 洞 驅 動 星 際 飛 船! Yin-Chih Tsai 50 新 發 現 : 理 論 上 的 超 新 星 竟 存 在 於 真 實 世 界! Yin-Chih Tsai 52 標 榜 可 儲 存 能 量 的 紙 電 池 呂 晃 志 53 以 電 場 控 制 自 旋 電 流 已 成 真 孫 士 傑 54 人 工 智 慧 神 經 網 絡 能 識 別 細 菌 賽 逸 昕 54 光 穿 不 過 金 屬 薄 膜 上 的 孔 洞 劉 翼 綱 56 物 理 奧 林 匹 亞 競 賽 試 題 與 解 答 林 明 瑞 66 國 內 研 討 會 消 息 67 學 會 消 息 年 物 理 學 會 會 士 簡 介 年 物 理 學 會 特 殊 貢 獻 獎 得 獎 人 簡 介 73 中 華 民 國 物 理 學 會 會 議 記 錄 物 理 學 會 單 位 聯 絡 人 資 訊

2 超高時間解析量測 編者序 在現今凡事追求 快 的時代裡 所有科學研究 及工程技術無不朝著這個方向迅速發展前進 最典 撰文 羅志偉 很快科學家就能揭開埃秒尺度下各種變化的神秘面 紗 型的例子就是時間量測工具的發展 十九世紀初期 或許對很多人而言 超快雷射 仍然是個很 科學家在只有毫秒 (ms) 尺度的計時工具下 只能觀 陌生的名詞 不過在各項科學技術的快速發展下 察變動較慢的現象或物體 例如 每 5 毫秒擺動一 以超快雷射為核心之 超快光學 已悄悄成為科學 次的蜜蜂翅膀 然而隨著 1947 年電晶體的出現以及 研究中一個相當重要的領域 相關的應用與研究 電子學的蓬勃發展 科學家有機會觀察到更快速的 在 1990 年後如雨後春筍般快速成長 每年全世界 反應及變化 例如 微秒 (µs) 尺度的 µ 介子衰變 關於超快現象所發表的論文數量在短短 17 年間成 奈秒 (ns) 尺度的介子平均壽命 等 不過 到此還 長了一個數量級 當然 除了這些驚人的數據外 是無法滿足科學家們求知的欲望 直到 1980 年代皮 超快光學領域的科學家也的確為人類做出重大的貢 秒 (ps) 脈衝雷射的出現 才協助科學家探討皮秒尺 獻 例如 2005 年諾貝爾獎得主德國慕尼黑大學 度下的載子動力學 緊接而來的飛秒脈衝雷射 使 教授及普朗克量子光學研究所主任 - 漢希 Theodor 物理學家可進一步觀察各種材料中準粒子 (quasipar- W. Hänsch 美 國 JILA Joint Institute of Labora- ticle) 在飛秒 (fs) 尺度的弛緩行為 美國加州理工學 tory of Astrophysics 的資深研究員 - 霍爾 John L. 院化學系的齊威爾 (Ahmed H. Zewail) 教授更用此種 Hall 兩人因在精密雷射光譜 包括飛秒光頻梳雷 飛秒脈衝雷射來揭開化學反應中的快速變化過程 射 optical frequency comb 技術的發展而獲此殊榮 因而獲頒 1999 諾貝爾化學獎 當然 人類的追求 此項技術將可成為更準確的時間標準 而取代現今 快 的腳步不會就此停住 近幾年 更短脈衝的 普遍使用的銫原子鐘 -18 埃秒 (attosecond, 10 ) 雷射正在迅速發展中 相信 186 物理雙月刊32-3_ indb 186 雙月刊 本專輯將由超快光學中最重要的應用 超高時間 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:25

3 編者序 物理專文 解析量測談起 由中研院應科中心湯朝暉教授 交 通大學電子物理系小林孝嘉教授為大家介紹超快時 間解析光譜之應用 接著 由中正大學物理系許佳 振教授及工研院南分院雷射科技應用中心鄭中緯博 士介紹超快雷射的高尖峰功率輸出在奈米結構製作 與材料處理上之應用 此外 我們亦邀請到工研院 量測中心劉子安博士介紹台灣目前超快光纖雷射光 梳的應用與發展 清華大學光電所楊尚達教授介紹 超快雷射輸出特性的檢測技術 陽明大學生醫光電 所高甫仁教授介紹超快光學在生醫影像上的應用 最後 向雙月刊的編輯夥伴們致上誠摯的謝意 更感謝所有作者在百忙中抽空撰稿 與雙月刊讀者 分享其獨到之研究心得與成果 作 者 羅志偉 國立交通大學 電子物理系 副教授 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:36

4 脈衝雷射引發奈米金屬粒子的 超快結構動力學 撰文 戴伯澤 1/ 於平 1/ 湯朝暉 1,2 1 2 中央研究院應用科學研究中心 國立交通大學光電工程學系 簡介 近二十年間 奈米尺度的建構技術與高解析度 影像技術有著長足的進步 一方面 奈米結構的 材料已被展示出令人關注且有別於一般塊材的物理 前言 特性 並具有潛力來解決目前各國注目的能源 環 在這一篇文章中描述我們最近關於脈衝雷射引發 境與生物醫學等重要議題 另一方面 許多具有原 奈米金屬粒子的超快動力學的研究工作 雷射瞬間 子解析度的影像技術已經被發展來研究分子與奈米 加熱奈米粒子而產生極小的體積變化 可藉由瞬態 結構的材料 除了高空間解析度的新工具外 飛秒 光學吸收或是反射 (transient optical absorption/reflec- (femtosecond) 甚至是埃秒 (attosecond) 級光譜的發 tance) 的技術來量測 這類光聲效應 (photoacoustic 展提供了研究在奈米材料超快動力學不可或缺的工 effects) 的研究提供了關於熱藉由熱電子與熱聲子 具 慶幸於瞬態光學吸收或是反射的方法 時間解 而產生的瞬間應力與其引發的奈米尺度熱傳導的資 析超快電子繞射技術 (time-resolved ultrafast electron 訊 用光聲效應激發的奈米稜柱 (nanoprism) 與薄 diffraction technique) 以及高時間解析 X 光繞射技術 膜為例子 我們分析實驗的量測所得結果與模擬 (time-resolved X-ray diffraction technique) 的 最 新 發 來比較 此模擬的模型乃是基於雙溫度模型 (two- 展讓科研人員同時擁有埃米 (angstrom) 的空間解析 temperature model; TTM) 與費米 - 百事達 - 厄蘭模型 度與飛秒的時間解析度來探討奈米粒子的超快結構 (Fermi-Pasta-Ulam model; FPU) 我們使用了奈米球 變化 [1-2] 薄膜 奈米棒 奈米稜柱以及奈米圓盤來闡釋振盪 為了分析雷射引發的結構動力學 我們發展了一 週期與不同奈米粒子的大小與形狀的關係 引一為 個 FPU-TTM 理論模型 這個模型包含了費米 - 百 例 我們提供了在奈米稜柱多個振動模激發的仔細 事達 - 厄蘭模型 (FPU) 與雙溫度模型 (TTM) TTM 分析 另外 我們也闡釋了熱電子的彈道效應 (hot 在先前已經被使用於描述雷射加熱金屬薄膜的溫度 electron ballistic motion) 在振動的相位上扮演的重要 變化 以及描述雷射加熱與電子跟聲子的熱傳現象 角色 FPU 模型描述衝擊力而形成的結構變化 這樣的聯 合模型提供了更清晰的物理觀點以及原子陣列對於 衝擊力的響應提供定性的圖像 188 物理雙月刊32-3_ indb 188 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:38

5 脈衝雷射引發奈米金屬粒子的超快結構動力學 FPU-TTM 模型 物理專文 width at half maximum) 我們最近利用了 FPU-TTM 模型來描述雷射加熱 再來我們將一維 FPU 鏈狀模型延伸至三維週期排 與超快結構動力學去解釋雷射加熱多晶鋁薄膜的超 列的原子陣列 設想每個原子的編號為下標 n 且跟 快電子繞射環的移動 [2-4] 不過我們的模型可以 最近下標為 j 的原子藉由非簡諧振盪的彈簧耦合 廣義的適用於其他形狀的奈米粒子 多數的文獻利 位能可以表示成 mω2(rn-rj)2/2+αmω2(rn-rj)3/3; 其中 α 用現象學的方法處裡聲波振動 僅假設整個平板或 為非簡諧參數與熱膨脹係數 β=αkb/mω2ll 有關 在 是奈米粒子為一個阻尼振盪器 我們將這個著名模 非邊界下面心立方 (FCC) 排列的原子 一共有十二 型擴展進而提供一個平台來分析不同形狀與大小的 個最近的原子就如圖 1 中所示 對於在位置 rn 與動 奈米材料 根據這一個模型 熱在金屬平板或是奈 量 Pn 的原子運動方程式可以表示如下 米粒子中傳遞包含了自由的電子與聲子兩個子系統 p d rn = n dt m 可以藉由以下三維的速率方程式來掌管 T1( r,t ) = (κ e T1( r,t ) ) t - g (T1 (r, t ) - T2 (r, t ) + S (r, t ) Ce (T ) T2 ( r,t ) = κ L 2T2 ( r,t ) - g t (T2 (r, t ) - T1 (r, t ) - h (T2 (r, t ) - T0 ) C2 (3) d p n = Fn (t ) - γ p n - U n, dt (1.1) 其 中 γ 為 摩 擦 力 係 數 以 及 Un 為 非 簡 諧 的 (1.2) 原 子 位 能 對 任 意 下 標 為 n 的 原 子 所 感 受 到 K 方向的衝擊力是與原子所在的溫度變化有關 Fn,k(t)=γ1,Gl2C1T1(rn,t)(T1(rn,t)-T0)-γ2,Gl2C2T2(rn,t)(T2(rn,t)- 其中 T1(rn,t) 與 T2(rn,t) 分別代表電子與聲子在位 T0) 其中 T1(rn,t) 為電子溫度且 T2(rn,t) 為所在地方的 置向量 r 與時間 t 的溫度 在這個耦合的方程式主 聲子溫度以及 T0 為環境的溫度 γ2,g 為聲子的格林 要感興趣的是短時間裡的熱傳遞 所以聲子的熱傳 艾森參數 (Grüneisen parameter) 以及 γ1,g 為電子的格 導率 KL 與熱弛豫 ( 與 h 係數有關 ) 到週遭溫度為 T0 林艾森參數 這裏使用的虎克常數 (Hooke s con- 的環境是可以忽略的 偶合參數 g 描述電子與聲子 stant) 是選擇在一維原子陣列下可以得正確聲速的 間的交互作用 而方程式 1.1 描述電子的行為 電 值 為了在三維面心立方原子陣列下得到正確的聲 子的熱容量可以表示為 Ce = C1T1 以及熱傳導率可 速 虎克常數為一維時的兩倍 最後我們使用龍格 - 以表示為 KeT1/ T2 初始的電子與聲子溫度設定為 庫塔 (Runge-Kutta) 的數值方法得到時間與空間的動 T1(r,0)=T2(r,0)=T0=300K 假 設 雷 射 光 沿 著 Z 軸 入 態行為 射 則熱源項可以表示成下面的方程式 ( ) S (r, t ) = exp - 4 ln 2 t 2 / τ p2 4 ln 2 / π F0 (1 - R) /[ τ pξ L (1 - exp(- L / ξ L ))] (2) 實驗架構 我們使用中心波長 800 奈米的鈦藍寶石雷射 其中 R 為在雷射的波長下表面的反射率 L 為在 (Ti:sapphire laser) 提供 100 飛秒的鎖模脈衝雷射當 雷射傳波方向下薄膜的厚度 F0 為入射雷射的光強 作種子脈衝 將此脈衝雷射導入雷射放大器 將每 度 ζl 為光學的穿透深度 τ0 與 τp 描述雷射脈衝在 發脈衝的能量放大十萬倍從 10 奈焦 (nj) 放大至 1 時間上的輪廓分別為延遲時間與脈衝的半高寬 (full 毫焦 (mj) 之後再將放大後的脈衝導入光參量放大 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:40

6 器 (optical parameter amplifier) 讓我們可以得到輸 實驗數據 出波長從 320 奈米到 2000 奈米的飛秒級光源以對應 不同的實驗需求 圖一 原子為面心立方排列的示意圖 圖二 瞬態光學吸收實驗設置與訊號處裡的示意圖 與奈米粒子大小和形狀相關的同調聲波振動 下圖 2. 為瞬態光學吸收實驗設置簡圖 在瞬態 這部分我們分析了脈衝雷射引發不同大小與形 光學吸收的實驗裡需要兩道雷射光 一道為泵浦光 狀的面心立方結構奈米粒子的振動周期 [5] 並試圖 (pump beam) 另一道為偵測光 (probe beam) 泵浦光 就實驗資訊了解奈米粒子的伸展和壓縮與激發光之 用來改變待測物的特性 在我們的實驗裡來瞬間加 傳播方向的關係 如圖 3 所示 在銀奈米稜柱之瞬 熱奈米粒子 而被適當延遲的偵測光是用來觀察隨 態吸收實驗部分 銀奈米稜柱以 575 nm 為激發波 時間變化的物理量 我們用來觀察奈米粒子體積隨 長 偵測波長 575nm 進行瞬態吸收實驗 瞬態吸收 8 時間的變化 由於光速高達 3 10 m/sec 兩道光的 時間曲線藉由一維 TTM-FPU 模型擬合之最佳適合 光程只要相差 1 微米 (µm) 就約有 3 飛秒的時間差 曲線為 Z N ( t ) - Z 1 ( t ) 見圖 4(a) 其振動周期是兩倍的 所以我們可以得到從飛秒到幾百皮秒時間尺度下的 高除以聲速 亦即兩倍的高是聲波在三角形平面傳 時間解析度 目前單純的電訊號只能處裡到約次奈 播的平均距離 值得注意的是 描述此振動的相位 秒 (sub-ns) 的等級 所以這樣的一個光學技術讓時 最佳適合曲線為 Z N ( t ) - Z 1 ( t ) 而非用來描述金屬薄膜 間的解析度大幅成長了六個數量級 振動的 z N (t ) - z1 (t ) 我們認為雷射的強度不是造成這 另一方面在瞬態光學吸收的實驗中 偵測光因為 兩個相位差 90 度的原因 另外 我們在短時域發現 泵浦光所造成的改變量十分微小 所以我們使用鎖 高頻的振動頻率 瞬態吸收實驗數據與最佳適合曲 相放大的技術 來量測變化 我們利用機械式的遮 線詳見圖 4(b) 和圖 4(c) 這個高頻振動周期表示聲 光器將泵浦光作週期的調變 就如圖 2 下半部藍色 波沿著垂直三角形平面方向傳播 其振動周期是厚 的脈衝隨時間變化的示意圖 適當改變兩道光的光 度除以聲速 最佳適合曲線為 z N (t ) - z1 (t ) 程讓偵測光與泵浦光之間有一個時間差 可以得到 另外一個工作 我們分析了 Hartland 等人 [6] 的 因為泵浦光而造成偵測光在遮光器調變頻率下的微 金奈米圓柱之瞬態吸收實驗數據 瞬態吸收曲線有 小變化 I 我們再利用鎖相放大器 (lock-in ampli- 兩個振動頻率 其中之一對應於圓柱的軸 其振動 fier) 將此訊號取出讓電腦處裡即可得到下面章節的 190 物理雙月刊32-3_ indb 190 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:41

7 脈衝雷射引發奈米金屬粒子的超快結構動力學 物理專文 周期是兩倍的圓柱長除以聲速 ( ν E =1824 m/s 延 伸模 ) 可得到延伸模的聲速小於金塊材的聲速 ( ν E =3240 m/s) 最佳適合曲線為 Z N (t ) - Z 1 (t ) 見圖 5(a) 另一個較高頻率的振動模表示聲波沿著圓柱 的徑向方向傳播 其振動周期是圓柱的直徑除以聲 速 最佳適合曲線為 z N (t ) - z1 (t ) 見圖 5(b) 另外 我們也分析了其他金屬薄膜 奈米球 奈米圓盤以 及奈米四面體來展示振動週期與不同奈米粒子大小 圖三 本實驗分析雷射引發不同大小與形狀的金屬奈米粒 子的振動周期 和形狀的關係 圖五 (a) 金奈米圓柱瞬態吸收曲線圖 長 55±15 奈米 直徑 13±1 奈米 長時間的低頻振動周期 最佳適合曲 線為 Z N (t ) - Z 1 (t ) ( ) 代表實驗數值 (----) 實線表示 適合曲線 (b) 短時間的高頻振動周期表示聲波沿著徑向 方向傳播 最佳適合曲線為 ZN(t)-Z1(t) 圖四 (a) 31.4 nm 高的銀奈米稜柱瞬態吸收曲線圖 長 時間的低頻振動周期對應於三角形平面的高 最佳適合 曲線為 Z N (t ) - Z 1 (t ) ( ) 代表實驗數值 (----) 實線表 示適合曲線 (b) 7.8 nm 厚的銀奈米稜柱短時間的高頻 振動周期表示聲波沿著垂直三角形平面方向傳播 最佳 適合曲線為 ZN(t)-Z1(t) 最佳適合原子數為 16 (c) 8.5 nm 厚的銀奈米稜柱短時間的高頻振動周期 最佳適合原 子數為 19 綜觀上述 我們可以歸納出 當奈米粒子的伸展 和壓縮是沿著激發光的傳播方向 最佳適合曲線為 ZN(t)-Z1(t) 若奈米粒子的伸展和壓縮是垂直激發光 的傳播方向 則最佳適合曲線為 Z t - Z t N ( ) 1( ) / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:42

8 多模的光聲激發 在上一個章節中我們發現奈米稜柱在不同平面 要處裡二維的 TTM 模型並不容易且需要更大的電 的 兩 個 同 調 聲 波 振 動 或 是 稱 為 呼 吸 模 (breathing 腦運算量 我們使用下面兩個化簡的力量來代表因 mode) 其中之一對應於三角形截面的高另一個模對 為溫度變化而產生的瞬態衝擊力 應於厚度且兩個振動的相位差約為 π/2 在這個章 其中 FD 與 FI 分別代表熱電子與聲子的衝擊力 節裡我們將專注於討論在三角形截面上產生的多模 τe-ph 是電子與聲子的耦合時間 由於電子有著極 振動 且利用我們化簡的 TTM-FPU 模型來解釋其 產生的原因 [7-8] 圖 6 為奈米稜柱瞬態光學吸收的結果 前端的高 峰是因為電子與聲子交互作用而產生 在 10 皮秒後 才 是 我 們 所 關 心 的 同 調 聲 波 振 動 可 以 利 用 來擬合實驗數據 其中 ω =2π/T 而 T 為振動的週期 振幅 A 與 B 角頻率 ω 以及初始的相位 φ 皆由擬合得到 最佳的擬合結果 如圖 6 的紅線所示 可以得到 26 皮秒的週期而這個 週期可以對應於三角形高的呼吸模 我們再進一步 將實驗數據減去擬合的紅線其數據顯示在圖 6 插入 的小圖 可以得到一個 18 皮秒的振盪週期 這一個 殘餘的振盪週期對應於三角形邊長的一半 我們稱 之為完全對稱模 (totally symmetric mode) 且這兩個模 態的週期約為 3 倍 在其他人的研究中發現完全對 稱模與熱電子的動力學有極大的關係 而且與呼吸 模呈現約 60 度的相位差 [9] 對於完全對稱模的探 FD = w1 exp(-t / τ e - ph ) exp(- z / l1 ) (4) FI = w2 1 - exp(-t / τ e - ph ) exp(- z / l2 ), 快的響應時間 可以預期他隨著時間擁有類似尖峰 形狀的溫度變化且溫度變化會被轉化成衝擊力 而 聲子的能量來自熱電子且緩慢的將熱耗散到週遭環 境 讓聲子產生的衝擊力會有一個類似台階的溫度 變化 λ1 與 λ2 為 FD 與 FI 的穿透深度 在一開始時 光場直接加熱電子 所以熱電子的分布會與光場相 關 而奈米稜柱的尖角在 10 奈米的範圍內會加強局 部的光場且三個尖角處將會比其他部分有更高的吸 收 所以我們預期方程式 (4) 中的 λ1 也在 10 奈米這 一個數量級 之後熱電子會利用電子彈道效應與熱 擴散將熱傳出 最後在將能量轉換給聲子 由於聲 子被雷射間接加熱 所以聲子溫度的梯度變化會遠 小於電子而使得 λ2 在數百奈米的數量級 討將有助於我們了解及極快速的電子動力學 而同 調聲波振動的週期為皮秒的數量級且不需要使用到 阿秒脈衝雷射 圖七 在稜柱三角型平面上原子相互耦合的示意圖 原子 遵守面心立方 (111) 平面的排列 圖六 奈米稜柱瞬態光學吸收實驗的結果 紅色的實線為 擬合的結果 其周期為 29 皮秒且對應於三角形高的呼吸 模 插入的小圖是由實驗數據減去擬合結果所得出 其周 期為 18 皮秒且對應於三角形邊長一半的完全對稱模 192 物理雙月刊32-3_ indb 192 雙月刊 我們知道化學合成的奈米稜柱為面心立方 (111) 的 原子排列就如圖 7 所示 圖上的彈簧用來表示原子 將的相互作用 但是金屬原子感受到各向均勻的力 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:43

9 脈衝雷射引發奈米金屬粒子的超快結構動力學 物理專文 我們可以考慮一個球狀的簡諧位能 當光的極化方 疊加後的相位約為 174 由於 FD 是激發完全對稱 向平行尖端的方向時會更加強與光的交互作用 由 模的主要力量 所以疊加後的完全對稱模的相位會 於激發的雷射光都保有極化方向 很容易有一個尖 由 FD 決定 φ2 = 82 由於 FD 與 FI 個別激發的振動 端相較於其他兩個尖端更平行於光的極化方向 將 模相互疊加後造成呼吸模與完全對稱模有 90 度的相 問題簡化讓極化方向沿著 Z 軸 所以熱造成的衝擊 位差 力也會沿著相同的軸向 依照圖 7 我們寫出 2 維的 FPU 模型再搭配方程式 (4) 來模擬奈米稜柱的同調 聲波振動 圖 8. 為 50 奈米高的三角形的數值模擬結果 我 們將 γ 摩擦係數設為 0 讓數值擬合時可以減少變數 很明顯的在圖 8(a) 中至少有兩個振動模 我們利用 下面的方程式來做擬合 2 π t 2 π t + ϕ1 + B cos + ϕ2 A cos T1 T2 (5) 其中 A 與 B 是不同模的振幅 T1 與 T2 是對應的 週期與 φ1 和 φ2 是對應的初始相位 紅色的實線是 擬合的結果 T1 = 27.4 皮秒, T2 = 15.8 皮秒, φ1 = 181 與 φ2 = 85 T1 = 27.4 皮秒對應的長度為 50 奈米是三角形的高以及稱為呼吸模 而 T2 = 15.8 皮 秒對應的長度為 28.8 奈米是邊長的一半以及稱為完 全對稱模 例外 兩個模的相位差也約為 90 度 在圖 8(b) 與 (c) 中分別是被 FD 與 FI 所激發的振動 模 我們將圖 8(a) 利用兩個物理量分解開來 由於 在 2 維 FPU 模型使用相同的虎克常數 可以預期有 相同的週期且利用方程式 (5) 來擬合 在這裡我們指 出在圖 8(b) B/A = 0.06 與圖 8(c) B/A = 在圖 8 (b) (c) 中呼吸模的振幅幾乎相同以及在 FD 激發下完 全對稱模的振幅大於 FI 所激發的振幅一個數量級 所以我們可以簡單的下一個結論 FD 或是熱電子所 產生的衝擊力是激發完全對成稱模的主要力量 再來我們繼續探討兩個模項位相差 90 度的原因 在 FD 激發下呼吸模的初始相位為 φ1= 87.2 而 FI 激發下 φ1 = 260 被 FD 或是 FI 激發的呼吸模幾乎 為反相 所以這兩個振動模相互疊加時會產生破壞 性干涉 且藉由簡單三角函數的合差化積可以預估 圖八 三角形截面上聲波振動的模擬結果 實心點是模 擬的結果而實線是擬合的結果 我們得到的振動週期為 對應於高 50 奈米的三角形有 27.4 皮秒與 15.8 皮秒兩種 振動模 (a) 由 FD+FI 所激發的結果其初始的相位為 φ1=181 與 φ2=85 (b) 由 FD 所激發的結果 其初始的 相位為 φ1=87.2 與 φ2=82 其 B/A=0.06 可以用來比較 這兩種模態的權重 很明顯的完全對稱模遠小於呼吸模 (c) 由 FI 所激發的結果且初始相位為 φ1=260,φ2=165 以及權重 B/A=0.003 完全對稱模的權重又比 (b) 小一個 數量級 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:44

10 在前面的討論裡我們了解 FD 是產生完全對稱模的 膨脹都有貢獻 可以分為電子 γe 與聲子 γl 的格林艾 主要力量 在方程式 (4) 中有兩個變數電子聲子耦合 森參數 γe 與費米能階電子的能態密度有直接的關 時間 τe-ph 以及 λ1 穿透深度可以影響 FD 我們從 85 係 [10] 要直接量得 γe 必須要降溫到幾度 K 才能將 飛秒到 5 皮秒大範圍的改變 τe-ph 但是初始相位與 γl 的效應移除 但是在這如此的低溫一些鐵磁物質 B/A 並沒改變就如圖 8(b) 所示而振幅的變化也不超 本身的磁序 (magnetically order) 也會影響體積 而讓 過 19% 但是穿透深度對振幅卻有極大的改變 當 量測鐵磁物質的 γe 變的十分困難 在這一個小節裡 我們放大 λ1 十倍而振幅會衰減五倍 在同調聲波振 我們在室溫下且排除了磁序的影響利用同調聲波振 動中重要的力量梯度並不是力量本身 當我們改變 動相位與雷射強度的關係直接得到 γe λ1 時的力量梯度被大幅的影響 大的 λ1 會產生小的 由於我們 TTM-FPU 模型對於一維下的振動可以 梯度與小的振幅 我們整理完全對稱模的權重 B/A 定量的來描述 所以我們利用金屬薄膜來驗證這樣 對應於穿透深度 λ1 在圖 9 中 當 λ1 大於三角形的高 的概念 因為熱變化在薄膜金屬原子上所產生的衝 時完全對稱模的權重變的不重要或是小的力量梯度 擊力可以表示成以下的方程式 會讓完全對稱模難以被激發 (6) 其中 l 是原子的間距 Cl 與 Ce0 分別為聲子與電 子的熱容量 δtl 與 δte 是聲子與電子的溫度變化 在熱平衡下右邊的兩項皆為負號 [9-10] 這表示格 林艾森參數為正數時電子與聲子皆產生熱膨脹 但 是在超快雷射產生的熱電子彈道效應下藉由波茲曼 方程式 (Boltzmann equation) 與費米 - 迪拉克方程式 圖九 完全動稱模的權重對應於光學穿透深度的做圖 振 動僅由 FD 所激發而且 λ1 穿透深度也被三角形的高歸一 化 當穿透深度大於三角形的高 完全對稱模的權重迅速 下降 (Fermi-Dirac function) 推導下可以得到近似於方程式 (6) 的結果 [13-14] 這包含了熱電子產生了熱收縮的 效應當格林艾森參數為正數時 在這一個小節裡我們探討了奈米稜柱在三角形截 面上的多模振動 我們成功的使用化簡的 TTM-FPU 模型來解釋完全對稱模的激發原因與條件以及會什 麼會看到呼吸模與完全對稱模 90 度的相位差 同調聲波振動相位與雷射強度的關係 格林艾森參數 (γ) 在熱動力學 (thermodynamics) 中 是一個重要的物理量 它關係著系統體積的改變與 溫度的關係 我們可以利用這個參數來描述熱膨脹 機制 在熱平衡下 我們可以藉由精確的膨脹計來 量測格林艾森參數 但是電子與聲子對於物質的熱 194 物理雙月刊32-3_ indb 194 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:45

11 脈衝雷射引發奈米金屬粒子的超快結構動力學 圖十 (a) 50 奈米厚的金薄膜在不同雷射強度下的瞬態光 學吸收實驗以及藉由 TTM-FPU 模型擬合的結果 (b) 振 動模的初始相位與雷射強度的關係 有著誤差範圍的空 心圓是藉由阻尼正玄函數擬合實驗數據而得 初始相位與 雷射強度的關係讓我們取得電子的格林艾森參數 γe 物理專文 在金薄膜的實驗上我們取得了十分好的結果 現 在我們將拓展到 40 奈米厚的銅薄膜 結果就在下圖 11 中 我們得到 γl = 1.78 以及 γe = 0.9 其他的模擬參 數如表 1 所示 由數值模擬所預測當雷射功率從 奈米厚金薄膜的瞬態光學吸收如圖 10(a) 所示 mj/cm2 增加到 2.3 mj/cm2 初始相位會降低 15 度 但 關於前 15 皮秒的數據是關於電子聲子相互耦合的時 是從阻尼正弦函數擬合實驗的結果約下降了 33 度與 間常數已經被移除 以方便我們觀察同調聲波振動 理論大約有 20 度的誤差 但是銅薄膜的實驗訊噪比 且我們的模型是無法描述這個部份 在圖 10(a) 的實 較差 所以我們認為這是一個合理的結果 在這個 線是利用 TTM-FPU 模型擬合的結果 可以與實驗 章節裡我們利用 TTM-FPU 模型定量的分析同調聲 數據間作一個極佳的對應 模擬所使用的數值條列 波振動相位與雷射強度的關係 可以直接量到電子 於表 1 我們將實驗得到同調聲波振動的初始值整 的格林艾森參數而不需要精密的膨脹計或是極低溫 理於圖 10(b) 中包含誤差值的空心圓點 而其中實線 系統 [15] 的部份則是改變不同 γe 所模擬出的結果 在之前的 報導中金的 γe = 1.6 為大家所認同的數值 [13-15] 我們的模擬也與實驗的結果接近 當我們將 γe 變小 後整個相位的曲線向上移動 而相反的將 γe 變大則 曲線會向下移動 這樣的結果讓我們可以藉由瞬態 光學吸收的實驗結果直接取得 γe 表一 理論模型所使用的數值參數 [16-18] 圖十一 40 奈米厚的銅薄膜在不同雷射強度下的瞬態光學 吸收實驗以及藉由 TTM-FPU 模型擬合的結果 結論 在這一篇文章裡我們將最近關於雷射脈衝引發 奈米金屬粒子的超快結構動力學的工作一整理 我 們將時間解析電子繞射技術與瞬態光學吸收技術對 於同調聲波振動研究的一些應用給顯露出來 使用 薄膜 奈米稜柱以及一些其他形狀的奈米粒子為例 子 我們闡釋振動週期與初始相位相對於奈米粒子 形狀與大小的關係 在一些特別的條件下 多模的 振動可以被觀察到且其振動週期與初始相位將與聲 波傳波方向和奈米粒子的大小有關 更進一步 我 們分析聲波振動的初始相位與雷射強度的關係顯示 出因短脈衝雷射產生的熱電子彈道效應扮演著重要 的角色 而初始相位隨著雷射強度的變化 讓我確 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:46

12 定金薄膜電子的格林艾森參數以及它所對應的應力 方向 在我們的分析中發現熱電子與聲子的瞬態應 力是相反的方向 熱電子造成收縮然而聲子卻是膨 脹 另外 我們配合理論解釋奈米稜柱多模振動的 作 者 激發以及它的原因 利用脈衝雷射加熱奈米粒子的 湯朝暉 * 中研院應科中心研究員兼中心副主任 jautang@gate.sinica.edu.tw 戴伯澤 中研院應科中心博士後研究 pttai@gate.sinica.edu.tw 於平 中研院應科中心博士後研究 pyngyu@gate.sinica.edu.tw 研究讓我們更瞭解奈米粒子內的熱傳導與光聲效應 機制 參考文獻 [1] H. Zewail, Annu. Rev. Phys. Chem. 57, 65 (2006). [2] J. Tang, D. S. Yang and A. H. Zewail, J. Phys. Chem. C 111, 8957 (2007). [3] J. Tang, J. Chem. Phys. 128, (2008). [4] J. Tang, J. Appl. Phys. Lett (2008). [5] P. Yu, J. Tang, and S. H. Lin, J. Phys. Chem. C 112, (2008). [6] M. Hu, X. Wang, G. V. Hartland, P. Mulvaney, J. P. Juste and J. E. Sader, J. Am. Chem. Soc. 125, (2003). [7] P. T. Tai and J. Tang, J. of Scientific Conference Proceedings 1, 207 (2009). [8] J. Tang, P. Yu, P. T. Tai and S. H. Lin, SPIE Proceeding F-1 (2009). [9] L. Bonacina, A. Callegari, C. Bonati, F. V. Mourik and M. Chergui, Nano Lett. 6, 7 (2006). [10] J. H. O. Varley, Pro. R. Soc. A 237, 413 (1956). [11] B. Wright, Phys. Rev. B 49, 9985 (1994). [12] B. Wright and V. E. Gusev, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 42, 331 (1995). [13] J. K. Chen, J. E. Beraun, L. E. Grimes and D. Y. Tzou, Int. J. Solids Struct. 39, 3199 (2002). [14] L. A. Falkovsky and E. G. Mishchenko, J. Exp. Theor. Phys. 88, 84 (1999). [15] P. T. Tai, P. Yu and J. Tang, J. Phys. Chem. C 113, (2009). [16] J. Wang and C. Guo, Phys. Rev. B, 75, (2007). [17] Z. Lin and L. V. Zhigilei, Phys. Rev. B, 77, (2008). [18] H. Du, S. W. Lee, J. Gong, C. Sun and L. S. Wen, Mater. Lett. 58, 1117 (2004). 196 物理雙月刊32-3_ indb 196 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:46

13 超短脈衝雷射在超快動力學研究之應用 物理專文 超短脈衝雷射 在超快動力學研究之應用 由於可見光波段超短脈衝雷射及多通道時間解析光譜量測技術的發展 使得可見光波段時間解析光譜之時間解析度已達 1 飛秒以下 而且波長解析 度也在 1 奈米以下 本文將介紹可見光波段超短脈衝雷射及多通道時間解析 光譜量測技術的發展 並概述其於各種材料的超快動力學研究 撰文 小林孝嘉 籔下篤史 羅志偉 前言 所謂超短脈衝雷射即指雷射光以脈衝的形式輸 出 且脈衝寬度在飛秒 (femtosecond, 秒 ) 或飛 秒以下的數量級 近年來 拜雷射技術進步之賜 性分成不同的應用領域 (1) 飛秒級時間解析度 : 進 使得超短脈衝雷射的輸出特性愈來愈穩定 操作愈 行各式物理 化學 生物材料之超快動力學研究 (2) 來愈簡單 因而加速了其在物理 化學 生物 醫 高尖峰功率 : 進行非線性光學之研究 進行醫學手 學 甚至工程等各個領域的應用 目前這些如雨後 術 甚至應用於各式材料之加工處理 也由於超短 春筍般蓬勃發展的各種相關研究已悄悄建構成一個 脈衝的特性 大大降低傳統雷射加工中令人困擾的 重要的研究領域 我們稱之為 超快光學 熱效應 (3) 超寬頻譜 : 若透過相位控制技術穩定脈 一般來說 超短脈衝雷射的脈衝寬度非常窄 也 衝中不同波長間之相位 則可進行頻率量測之應用 就是超短脈衝雷射將能量集中在非常短的時間內 ( 約 例如 : 2005 年諾貝爾獎得主 Hänsch 和 Hall 的研究 飛秒的等級 ) 輸出 因此其尖峰功率非常高 若根 工作 據傅立葉轉換的概念 在時間上非常窄的脈衝即意 味著頻域空間中有非常寬的頻譜 也就是一發脈衝 可見光波段超短脈衝雷射之發展 中有很多的波長同時存在 這有別於大家所熟悉的 從 90 年代中期 我們研究群即開始嘗試修改光參 單色連續波雷射 例如一般連續波氦氖雷射 從以 數振盪器以得到波長可調之飛秒光源 不過卻發現 上的簡單介紹 我們可以進一步依照其三個主要特 環境干擾嚴重影響其輸出品質 因此 到了 90 年代 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:47

14 後期 我們進一步發展較不受環境干擾且具有寬頻 利用稜鏡調整激發光脈衝之角度色散 以增加光參 增益之光參數放大器作為波長可調之飛秒光源 在 數放大之頻寬與降低相位耦合 (phase matching) 之難 適當的條件下 若能充分利用光參數放大器的所有 度 (4) 利用可形變之反射鏡 (flexible mirror) 精細補 頻寬 即可產生飛秒級之超短脈衝 例如 : 在 1999 償高階色散效應 以得到接近傅立葉轉換極限之超 年 我們結合各種光學技術 首先利用非共線光參 短脈衝 數 放 大 器 (non-collinear optical parametric amplifier, 至於非共線光參數放大器的脈衝輸出特性如圖 2 NOPA) 產生 4.7 飛秒之雷射脈衝 [1] 經過進一步 所 示 [4] 圖 2(a)-(d) 為 二 倍 頻 頻 率 解 析 光 閘 (fre- 改良後 [2, 3] 其架構如圖 1 所示 我們成功在可 quency resolved optical gating, FROG) 的量測結果 見光波段產生世界最短之雷射脈衝 3.9 飛秒 [4] 其 當啟動形變反射鏡時 FROG 圖形由圖 2(a) (c) 變 中 有幾項關鍵技術分述如下 : (1) 利用稜鏡對進行 為圖 2(b) (d) 這顯示形變反射鏡的確有效提供色 放大前的預先色散補償 (pre-compression) 同時在不 散補償進行脈衝壓縮 另外 圖 2(e) 說明在有效光 影響欲放大光譜的情況下 用刮鬍刀片即可將 800 譜範圍內的頻譜相位非常平坦 此時脈衝寬度可壓 nm 的基頻光去掉 而不會被增益介質再放大 此方 縮至 3.9 飛秒 ( 圖 2(f)) 當然 除了我們所發展的非 法有效避開利用啾頻鏡 (chirp mirror) 及低通濾波片 共線光參數放大器 利用孔洞式光纖也可產生大約 (short-pass filter) 所造成的光譜變形 (2) 利用石英棒 5 飛秒之短脈衝 不過 其光譜卻十分不平坦 有 將 100 飛秒的激發光脈衝在時間上展開 以降低其 許多尖峰結構在其中 造成應用上的困擾 因此 尖峰功率而不至於損壞 BBO(β-barium borate) 晶體 可穩定輸出超短脈衝且具平坦光譜之非共線光參數 同時也可降低信號脈衝 (signal pulse) 與激發脈衝間 放大器絕對是研究超快動力學之一大利器 的時間漂移現象 而大大增加輸出光之穩定性 (3) 圖二 非共線光參數放大器 (NOPA) 之輸出特性 啟動形變反射鏡 (a) (c) 前與 (b) (d) 後之二倍頻頻 率解析光閘 (FROG) 的量測結果 (e) 輸出脈衝之光譜與 頻譜相位 (f) 輸出脈衝之時間波形 多通道時間解析光譜量測技術 這裡所謂的時間解析光譜一般是利用激發探測技 術來實現 其概念可由圖 3 來闡述 有位小朋友為 了想知道水池中水花的快速運動軌跡 因此找來一 圖一 非共線光參數放大器 (NOPA) 之系統架構圖 SP: 2 mm 的藍寶石片 P1 P2: 45 之石英稜鏡 P3: 69 之石英稜鏡 CM1 CM2: 超寬頻啾頻鏡 GR: 300 line/mm 反射式光柵 SM: 球面鏡 (R=400mm) SHG: 利用 BBO 晶 體 (0.4 mm,θ=29o, type-1) 產生二倍頻 HV: 高電壓源 198 物理雙月刊32-3_ indb 198 雙月刊 推相似的石頭 在池邊以相同的時間間隔向池中連 續丟石頭以激起一致的水花 接著他用望遠鏡仔細 觀察局部區域的軌跡 記下該區域之軌跡後 再換 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:48

15 超短脈衝雷射在超快動力學研究之應用 下一個區域 就這樣不斷重複下去 直到將整個水 花的運動軌跡完整描繪出來 物理專文 在超快動力學研究之應用 相信大家都有做化學實驗的經驗 通常我們把一 在時間解析光譜量測中 第一道激發光脈衝就相 當於上述小朋友所丟的石頭用來激發樣品 另一道 個化學試劑加上另一個試劑會得到一個化合物 如 果這不是我們想要的或者根本不會反應 我們就必 須更換反應物再做一次 如果又不是 就不斷嘗試 錯誤直到成功為止 這種況日費時的煉丹方式是起 因於我們對其中的化學反應過程不夠清楚 不過 Zewail 教授的研究團隊利用飛秒雷射改變了人們對 化學反應的看法 [5, 6] 進而揭開許多反應的神秘面 紗 這不但讓人們進一步了解自然界各種反應的機 制 更加速了基礎科學研究及工程應用的發展 近來 我們研究團隊也利用非共線光參數放大器 所產生的 3.9 飛秒超短脈衝研究紫膜蛋白的順反異 圖三 激發探測概念之示意圖 較弱的探測光脈衝就好比是上述小朋友的望遠鏡用 來探測樣品的反應 而時間的解析即由激發光與探 測光間的時間延遲來決定 對大多數材料而言 探 測光的變化非常微弱 通常埋沒在各種雜訊裡頭 因此 必須透過鎖相放大的技術才能忠實的將信號 構 化 (isomerization in bacteriorhodopsin) 過 程 [7, 8, 9] 以及強關聯電子系統 (strongly correlated electronic systems) 之超快動力學過程 [10] 其詳細內容分述如 下: 1. 紫膜蛋白中主要構型之光致順反異構化過程 取出 對於以寬頻譜雷射為光源之時間解析光譜量 視紫紅質 (rhodopsin) 的順反異構化是人類視覺中 測 通常是利用單光儀將波長分開後 再針對每個 一個主要且關鍵的反應 但視紫紅質很容易被光破 波長逐一量測 這樣做除了需要花很多時間外 光 壞也無法在室溫下進行實驗 因此難以進行超快光 源無法長時間穩定的問題更進一步影響量測結果的 譜的量測 不過 另一種從嗜鹽菌 (Halobacterium 品質與可信度 salinarium) 紫色細胞膜中取出的光能轉換蛋白 (bac- 為解決上述問題 我們研究群自行發展了一套 teriorhodopsin, br- 紫膜蛋白 ) 與視紫紅質有相同的 128 通道之鎖相放大光譜量測儀 利用分光儀先將 特性且相對穩定 除此之外 它也是光記憶體及光 探測光中的各種波長分開 然後透過 128 條光纖將 開關中重要的作用材料 在嗜鹽菌中紫膜蛋白的生 各個波長導入各自的光偵測器 (avalanche photo di- 理機能為利用光激發質子產生化學能來協助 ATP 的 odes) 而這 128 個光偵測器的輸出信號再送至所屬 合成 然而其中的光激發所造成的反順異構化過程 之雙調變鎖相放大器進行信號處理 最後由電腦將 與視紫紅質在人類視覺中的順反異構化過程極為相 數據取出並紀錄之 此種多工的即時光譜量測系統 似 對此有趣的現象已有許多實驗與理論的報導 大大縮減量測時間 傳統方法完成一個實驗需花 24 普遍認為其反應過程有四個狀態 其轉換時間分別 小時 現在只要 10 分鐘即可 因此成功去除了雷射 如下 : 在長時間操作下功率衰減與光譜飄移的影響 大幅 提升量測結果的品質與可信度 br H (200fs) I (500fs) J (3ps) K 不過並不是所有實驗都吻合這個結果 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:50

16 2. 強關聯電子系統之超快動力學 近 年 來 高 溫 超 導 銅 氧 化 物 (High-Tc Superconducting Cuprate) 重 費 米 子 金 屬 化 合 物 (Heavy Fermion Metallic Compound) 以及龐磁阻 (Colossal Magnetoresistance) 和多鐵性錳氧化物 (Multiferroics Manganites) 等 具有強關聯作用及多相共存的強關 聯電子系統 (strongly correlated electronic systems) 被 圖四 紫膜蛋白的光致異構化過程及其相對應之結構 科學家廣泛的研究與報導 成為凝態物理領域中的 為解決此爭議 我們利用非共線光參數放大器 一個當紅的研究課題 在這類強關聯電子系統中 所產生的 3.9 飛秒超短脈衝搭配 128 通道之鎖相放 其物理性質不被任何一種單一的作用力 粒子 時 大光譜儀量測紫膜蛋白的激發探測信號 [11] 在時 間或空間尺度所決定 因此這類物質通常具有多種 域所測得的瞬時變化光譜經過傅立葉轉換後 可得 強度相當的作用力存在於不同的粒子之間 進而衍 到具時間解析之頻域光譜 我們發現就在光激發後 生出許多穩定的相或有序參數 相互競爭 彼此適 30 飛秒內 在 Schiff 氏鹼 (Schiff base) 的 C=N 鍵就 應共存 瞭解這類物質的物理特性 是凝態物理研 發生形變 如圖 4 所示 而代表 C=N 鍵的伸縮模 究的一項挑戰 也可能是解決高溫超導機制的契機 (stretching mode) 信號隨著 C=C 鍵的伸縮模信號增 一般來說 此類強關聯電子系統中可區分為電子 加而減小 除此之外 發生光致反順異構化反應的 (electron) 聲 子 (phonon or lattice vibration) 自 旋 C13=C14 鍵亦會因其扭轉而調變 C=C 鍵的伸縮模 (spin) 三種粒子 然而這三種粒子間的作用力 ( 如圖 頻率 這研究說明 C=N 與 C=C 鍵的伸縮動力學行 5 中電子 - 自旋 電子 - 聲子 自旋 - 聲子 ) 常常一 為在紫膜蛋白的光致反順異構化反應中扮演關鍵角 起出現於同一材料中 大多數實驗方法只能得到綜 色 此外 我們也進一步闡明 C=C 鍵在光反應中從 合的結果 無法將其中任一作用力單獨區分出來 H 狀態 (Franck-Condon excited state 圖 4) 到 I 狀態 以至於難以釐清這類材料的物理機制 然而 由於 (twisted excited) 再 到 J 狀 態 (first intermediate) 的 調 各種粒子間的作用力在時間尺度上有差異 因此透 制與弛緩動力學過程 唯有利用寬頻的超快時間解 過飛秒時間解析光譜可以清楚分出各種不同的作用 析光譜才能觀察到這些分子的即時調制行為 力以及各種粒子的動態行為 進而瞭解這類材料的 物理機制 以 多 鐵 性 錳 氧 化 物 (Multiferroics Manganites) HoMnO3 為例 [10] 利用標準的激發探測技術在波 長 740 nm 及溫度 75 K 時量測 HoMnO3 單晶樣品 其瞬時反射率 (ΔR/R) 隨時間的變化如圖 6 所示 如果先不考慮數據中振盪的部份 基本上 實驗數 據可由以下的圖像來說明 當脈衝雷射入射樣品 後 首先激發受照射區域之電子至激發態 接著電 子藉由電子 - 聲子交互作用將能量傳遞給晶格產生 聲子 使得聲子的數目上升 ( 圖 6 中之綠色線 ) 同 圖五 強關聯電子系統中電子 聲子 ( 晶格振動 ) 及自旋 之間的關係 200 物理雙月刊32-3_ indb 200 雙月刊 時使得激發態之電子數目減少 ( 圖 6 中之紅色線 ) 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:51

17 超短脈衝雷射在超快動力學研究之應用 物理專文 圖六 多鐵性錳氧化物 HoMnO3 樣品在皮秒尺度下的瞬時反 射率變化與其曲線擬合的結果 圖七 利用超快照相機 ( 激發探測技術 ) 拍下電子 聲子 及自旋之快速變化過程 此外 聲子也可透過聲子 - 自旋交互作用將能量傳 遞給自旋 進而改變自旋有序度 ( 圖 6 中之藍色線 的前段 ) 最後 這些達到暫態平衡的電子 聲子及 自旋再將剩餘的能量傳遞給週遭之環境 ( 如未被光 照射的區域或樣品座 ) 使得整個系統回復至未被激 發的狀態 至於振盪部分 則是由於激發光在激發 樣品時所引發的應變脈衝波 (strain pulse) 效應 因 此 超快光學中的激發探測技術就好像一部超快速 照相機 如圖 7 一樣 可以幫我們清楚拍下在飛秒 (femtosecond) 至皮秒 (picosecond) 尺度下的電子 聲 子與自旋變化過程 若對此樣品進行升降溫或變磁 場量測 則可進一步得知瞬時反射率變化中每個成 分在 HoMnO3 樣品的物理意義 以了解其中磁電耦 合現象之起源 除此之外 若利用我們發展之非共線光參數放 大器與 128 通道之鎖相放大光譜量測儀 可得到一 具有波長解析及時間解析之二維飛秒光譜圖 如圖 8(a) 8(b) 所示 以高溫超導釔鋇銅氧 (YBa2Cu3O7-δ) 薄膜為例 瞬時穿透率變化 (ΔT/T) 有強烈的波長相 依性 在探測光為 1.95 ev 時 我們觀察到較長的準 粒子弛緩時間 (relaxation time) 尤其當溫度低於超 圖八 高溫超導釔鋇銅氧 (a) 正常態之時域二維飛秒光譜 圖 (b) 超導態之時域二維飛秒光譜圖 (c) 圖 (a) 之傅 立葉轉換圖 (d) 圖 (b) 之傅立葉轉換圖 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:53

18 導臨界溫度時更為顯著 如圖 8(b) 一般相信 此 1.95 ev 能量即對應能帶圖中從上哈伯帶 (upper Hubbard band) 至費米面 (Fermi surface) 之能量差 [12] 因此 透過二維飛秒光譜圖我們可以研究準粒子在 費米面附近之動態變化 包括在超導態時超導能隙 的動力學行為 另外 由於非共線光參數放大器的超短脈衝提供 我們極佳的時間解析能力 因此 在瞬時穿透率變 化的曲線上可以觀察到許多週期性振盪 經過傅立 葉分析 二維飛秒光譜圖中的振動模 ( 聲子模, pho- 結論 由前面的介紹 可以知道唯有穩定的寬頻超短脈 衝雷射與一即時多工光譜量測系統才能提供我們一 高可信度之時間解析光譜來研究各種材料之超快動 力學行為 除了本文所舉的例子外 此種具有高時 間解析度之光譜技術也可應用於各式生物材料 高 分子材料以及凝態材料上 藉以研究其中各種未被 探討的有趣現象 甚至對於尚未釐清的機制建立一 完整的圖像 non mode) 即 清 楚 顯 示 在 圖 8(c) 8(d) 中 其 中 在 475 cm-1 的位置有最強的聲子模 同時其強度隨著波 長的變化而改變 比較正常態與超導態之結果 可 發現費米面附近的 475 cm-1 聲子模在超導態時才會 出現 這意味著此聲子模與超導的發生有著密切的 關係 當然 此種材料中聲子模的量測也可利用大家熟 悉的拉曼光譜 (Raman spectroscopy) 來進行 不過 傳統拉曼光譜的激發光源要做如此大範圍與精細的 改變有其困難度 同時其波長相依的結果也必須對 每個波長的強度做校正 即使此想法在數年前已被 提出 但礙於其況日費時的實驗過程 極少被使用 因此 本文所介紹之二維飛秒光譜 正好突破了這 作 者 小林孝嘉 國立交通大學 電子物理系 講座教授 kobayashi@mail.nctu.edu.tw 籔下篤史 國立交通大學 電子物理系 助理教授 yabushita@mail.nctu.edu.tw 羅志偉 國立交通大學 電子物理系 副教授 cwluo@mail.nctu.edu.tw 些傳統拉曼光譜的缺點 而進一步研究材料中不同 電子能態與聲子模之耦合情形 參 考 文 獻 [1] T. Kobayashi and A. Shirakawa, Appl. Phys. B 70, S239-S246 (2000). [2] Baltuska, T. Fuji, and T. Kobayashi, Opt. Lett. 27, (2002). [3] Baltuska and T. Kobayashi, Appl. Phys. B 75, (2002). [4] A. Baltuska, T. Fuji, and T. Kobayashi, Opt. Lett. 27, (2002). [5] A. H. Zewail (2003) in Nobel Lectures in Chemistry , ed Grenthe I (World Scientific, Singapore). [6] A. H. Zewail, J. Phys. Chem. A 104, (2000). [7] T. Kobayashi, T. Saito, and H. Ohtani, Nature 414, (2001). [8] A. Baltuska and T. Kobayashi, Appl. Phys. B 75, (2002). [9] A. Baltuska, T. Fuji, and T. Kobayashi, Opt. Lett. 27, (2002). [10] H. C. Shih, T. H. Lin, C. W. Luo, J.-Y. Lin, T. M. Uen, J. Y. Juang, K. H. Wu, J. M. Lee, J. M. Chen, and T. Kobayashi, Phys. Rev. B 80, (2009). [11] A. Yabushita and T. Kobayashi, Biophys. J. 96, (2009). [12] S. D. Brorson, A. Kazeroonian, D. W. Face, T. K. Cheng, G. L.Doll, M. S. dresselhaus, G. Dresselhaus, E. P. Ippen, T. Venkatesan, X. D. Wu, and A. Inam, Solid State Comm. 74, 1305 (1990). 202 物理雙月刊32-3_ indb 202 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:54

19 製作三維表面增強拉曼散射基板 物理專文 結合飛秒雷射直寫技術與化學修飾方法 製作三維表面增強拉曼散射基板 撰文 林建宏 黃家琪 杜名碧 巫晟逸 楊子萱 周禮君 張天立 林宏彝 甘宏志 許佳振 基於飛秒超快雷射之雙光子光聚合化 (two-photon polymerization) 雷射直寫式技術 製 作出三維柴堆型 (woodpile) 光子晶體結構 並且結合化學修飾方法於三維結構修飾上均勻的 金奈米粒子 藉由三維結構的骨架 可以大幅的增加金奈米粒子之單位體積密度 並可提升 表面增強拉曼散射 (surface enhanced Raman scattering, SERS) 光譜訊號 此種修飾有金奈 米粒子之三維結構可作為 SERS 基板 前言 雙光子聚合化雷射直寫式技術 使用近紅光波段 雙光子聚合化 (two-photon polymerization, TPP) 雷 的飛秒 (femto-second) 雷射 經由一高倍率物鏡聚焦 射直寫式 (direct laser writing, DLW) 技術 提供了一 到光阻材料 令光阻產生雙光子吸收 進而引發聚 個非常便利且無光罩 (maskless) 的方法 可以使用 合化效應 由於在聚焦點區域的光強度才足以誘發 雷射直接製作出三維次微米 (sub-micrometer) 結構 此一效應 再加上飛秒雷射的脈衝寬度非常短 作 其橫向解析度可突破光學繞射極限 日本的 Kawata 用於材料的時間非常短 熱的累積效應非常有限 等人成功地應用此技術 製造出橫向解析度為 120 因而可獲得次微米尺度的結構 藉由精密三維平台 奈米的三維微結構 [1, 2] 德國的 Soukoulis 等人則 控制聚焦點位置 則可以得到任意形狀的三維次微 是應用此技術製作通信波段之三維光子晶體 [3] 米結構 圖一為雙光子光聚合化雷射直寫式技術實 近年來 Gu 等人則是應用此技術製作出三維柴堆 驗架設圖 [5] 除了上述所提之飛秒雷射 高倍率物 (woodpile) 型光子晶體 (photonic crystal) 結構 並且 鏡和精密三維平台外 我們還利用反射式共焦訊號 應用其光子晶體之光子能隙 (photonic band gap) 特性 系統 (confocal system) 來偵測與決定樣品與空氣的介 於提升與抑制量子點 (quantum dots) 之螢光訊號 [4] 面 在本文中 我們結合雷射直寫技術與化學修飾方 雙 光 子 聚 合 化 雷 射 直 寫 式 實 驗 使 用 波 長 為 830 法 製作出修飾金奈米粒子 (Au nanoparticles) 之三 nm 脈衝寬度為 100 fs 重覆率為 90 MHz 之鈦藍 維柴堆型結構 藉由立體結構提升金奈米粒子之密 寶石雷射 樣品為商用負光阻 SU-8 控制適當的曝 度進而提升表面增強拉曼散射 (surface enhanced Ra- 光光強度和時間 我們可以得到半徑約為 100 nm 的 man scattering, SERS) 訊號 一般而言 金奈米粒子 次微米柱結構 ( 如圖二 (a) 所示 ) 藉由電腦軟體將 與金奈米粒子間會藉由表面電漿效應 形成很強的 任意圖像轉換成數位訊號 控制三維平台即可得到 局部電場 (local field) 其局限的電場強度與入射光 二維和三維任意微米結構 圖二 (b) 為二維 中正大 4 5 相比 可增加至 10 至 10 倍 所以金奈米粒子常被 用來提升 SERS 訊號 學 字樣 和製作三維微米錂鏡陣列 ( 如圖二 (c)) TPP DWL 技術 一般常用於製作三維柴堆型光子 1. 雷射直寫式技術於三維微米結構製作 晶體結構 [4] 可提供完全光子能隙特性 圖三 (a) 為三維柴堆型光子晶體之設計圖 三維柴堆型光子 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:55

20 晶體為層層堆疊的結構 a 和 c 分別為週期和四層 間距 a 和 c 的關係為 (c/a)2=2 在實驗中 我們 成功地製作出週期為 1.5µm 之三維柴堆型光子晶體 結構 ( 圖三 ) 在獲得此結構後 我們使用化學修飾 方法 [6] 在此三維結構修飾金奈米粒子 製作一個 新穎的三維立體 SERS 基板 二 化學修飾金奈米粒子技術 圖四為化學修飾金奈米粒子流程圖 [6] 圖四 (A) 為 SU-8 分子結構式 藉由浸泡 0.1 M 的 NaOH (so圖一 雙光子聚合化雷射直寫式技術實驗架設圖 dium hydroxide) 1 小時 將環氧官能基 (epoxy functional group) 轉換成羧酸基 (carboxylic acid group) 此為水解過程 步驟 (B) 步驟 (C) 為藉由浸泡 0.1 M K2Cr2O7 (potassium dichromate) 溶劑 1 小時 將水解過後的 SU-8 進而氧化以產生如圖 (C) 之化 學成分 步驟 (D) 為將水解與氧化後之 SU-8 浸泡 於 carbodiimide (C8H17N3 HCl NHS (C4H5NO3) cystamine (C4H12N2S2 2HCl 與 酸 緩 衝 劑 HEPES (2-(4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazinyl)-ethanesulfonic acid (ph=7.5)) 之混合液 2 小時 以產生 SH 官能基 (thiol functional group) 最後一個步驟為表面包覆著 圖二 (a) 半徑約為 100 nm 的次微米柱結構 (b) 二維 中 正大學 字樣和 (c) 三維微米錂鏡陣列 檸檬酸鹽陰離子 (citrate) 之金奈米粒子藉由 SH 官能 基與 SU-8 表面作結合 為了避免污染樣品 在每 一步驟完成後都必須使用乾淨的去離子水沖洗 圖四 化學修飾金奈米粒子流程圖 [5] 圖五 (a) 為應用化學修飾方法修飾金奈米粒子於 SU-8 薄膜表面之 SEM 圖 金奈米粒子平均直徑約 圖三 三維柴堆型光子晶體結構設計圖 (a) 和實驗製作 SEM 照片與其側示圖 (b) 204 物理雙月刊32-3_ indb 204 雙月刊 為 30 nm 正負誤差為 5 nm 圖五 (b) 為表面修飾 金奈米粒子之吸收光譜圖 300 nm 至 360 nm 波長 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:57

21 製作三維表面增強拉曼散射基板 物理專文 圖六 表面修飾金奈米粒子之三維柴堆型光子晶體結構之 SEM 圖 (a) 週期為３µm (b) 和 (c) 為其不同倍率之放 大圖 譜之放大圖 圖五 應用化學修飾方法修飾金奈米粒子於 SU8 薄膜表面 之 SEM 圖 (a) 和吸收光譜圖 (b) 插圖為吸收光譜之放大 圖 範圍為 SU-8 材料的吸收 而 500 nm 至 900 nm 波長 範圍為金奈米粒子之表面電漿效應所造成的吸收 其吸收峰在 630 nm 附近 膜上 厚度約為 2µm 所以在修飾完成後 同時也 會在沒有三維結構區域修飾金奈米粒子 我們將所製備的樣品進行 SERS 訊號量測實驗 所檢測的分子為４-NBT 激發光源為 CW He-Ne 雷 射 輸出波長為 nm 最高輸出光功率為 35 mw 藉由 20 倍物鏡 將雷射光焦聚至結構中 使 用光柵式光譜儀 偵測與收集拉曼光譜訊號 圖七 3. 表面修飾奈米金粒子之三維柴堆型光子晶體 結構 比較有 無三維結構區域的 SERS 光譜 在低光功 因為 SU-8 光阻為疏水性 金奈米水溶液不易於修 率 8 mw 量測中 SERS 訊號在有三維結構與沒有 飾 SU-8 三維柴堆型光子晶體結構 所以在化學修飾 結構區域 平板區域 比較 以主要波峰 1354 cm 過程中的最後一個步驟 將此結構與金奈米粒子溶 １ 液放至超音波震盪器 震盪 30 分鐘 圖六為表面修 而其他波峰也有很好的提升 除此之外 在三維 飾金奈米粒子之三維柴堆型光子晶體結構之 SEM 照 結構區域 可得到其他波峰的 SERS 訊號 例如 片 此結構週期為 3µm 由放大圖六 (c) 可以清楚地 1100 cm １附近與 1450 cm １附近 為例 可以得到約為 10 倍的 SERS 訊號提升率 看出 我們所使用的化學修飾方法 可以很成功地 有表面修飾金奈米粒子之三維結構所量測到的 在三維結構中均勻修飾金奈米粒子 金奈米粒子平 SERS 訊號之提升 主要來自於金奈米粒子之單位 均直徑約為 30 nm 由圖中 可以發現金奈米粒子 體積密度在三維結構比平板區域要來得高 為了證 不僅修飾在結構頂層 也可以成功地修飾在結構底 實此一概念 我們製作出不同層數之結合金奈米粒 層以及結構側邊 三維結構的骨架 不僅可以令金 子三維結構 其量測 SERS 光譜實驗結果 如圖八 (a) 奈米粒子修飾更加均勻 更能增加金奈米粒子之單 ( 黑色曲線 由實驗數據可以發現 SERS 訊號之提 位體積密度 此外 三維結構是製作在一層 SU-8 薄 升率是隨著層數增加而遞增 但是提升率並非會無 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:03:58

22 在量測 SERS 訊號過程中 我們發現如果激發光 源功率 大過於 8 mw 很容易破壞三維結構 如 圖九所示 其激發光源功率分別為最高功率 35 mw 和 12 mw 照射時間約為 1 分鐘 破壞程度隨著激 發光功率增加而增加 一般而言 SU-8 材料的吸收 範圍是在紫外光區域 圖五 (b) 所使用的激發光 波長 nm 遠離 SU-8 吸收範圍 SU-8 材料不會 對此激發光有單光子吸收效應 此外 我們所使用 的激發光源為連續波雷射 其最高光強度並無法引 圖七 表面修飾金奈米粒子之三維結構 (a) 與沒有三維結 構區域 (b) 之 SERS 光譜 圖中分子為４-NBT 分子結構式 發雙光子吸收效應 另外 我們也比對了 在完全 限制地增加 我們認為其提升率會受限於金奈米粒 率 35 mw 在長時間照射下 我們證實了激發光源 子的吸收效應而飽和 在實驗中 我們還探討了三 並不會對沒有修飾金奈米粒子的三維結構有任何的 維柴堆型光子晶體結構之週期對 SERS 訊號的影響 影響 所以破壞結構的原因為金奈米粒子吸收激發 如圖八 (a) 所示 ( 紅色曲線 在 1.5µm 至 3µm 結 光能量 藉由金奈米粒子的表面電漿效應 累積與 構週期 其提升率接近 5 倍 1.2µm 週期 其提升 貯存能量 進而轉換成高熱所致 此種光熱效應轉 率較低約為 3.5 倍 很明顯地 週期並沒有令 SERS 換效率非常高 故可在局部區域產生高溫進而破壞 沒有修飾金奈米粒子的三維結構 照射激發光源功 訊號之提升率有顯著的影響 主要為在小週期時 其金奈米粒子之單位體積密度相對提升 提升率還 是會受限於金奈米粒子的吸收效應 此外 我們並 沒有應用到三維光子晶體的光子能隙效應 主要是 製作的週期 所對應到的光子能隙是在遠紅外光波 段 與 SERS 訊號波段相差甚遠 我們重覆製作六 片樣品 週期固定在 3µm 與一樣的金奈米粒子修 飾參數 所得到的 SERS 訊號提升率平均約為 4 倍 左右 ( 圖八 (c)) 圖九 表面修飾金奈米粒子之三維結構 在照射 35 mw(a) 和 12 mw(c) 為時 1 分鐘後之 SEM 圖 (b) 和 (d) 分別為 其側示圖 SU-8 三維結構 結論 我們應用飛秒超快雷射直寫式技術 啟動 SU-8 光 １ 圖八 (a)sers 訊號在 1354cm 之提升率對不同層數 黑 色曲線 與不同週期 紅色曲線 之表面修飾金奈米粒 子 三 維 光 子 晶 體 結 構 作 圖 (b) 六 片 樣 品 在 1354cm １ SERS 訊號之相對強度 206 物理雙月刊32-3_ indb 206 雙月刊 阻雙光子聚合化效應 製作三維柴堆型光子晶體結 構 並結合自行開發的化學修飾金奈米粒子方法 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:03:59

23 製作三維表面增強拉曼散射基板 成功地在三維結構上 均勻修飾金奈米粒子 藉由 三維結構的立體架構大幅提升金奈米粒子之單位體 積密度 在應用方面 我們將此種修飾金奈米粒子 之三維結構應用於 SERS 光譜量測 實驗證明 此 種三維 SERS 基板 可以幫助 SERS 訊號提升約為 ４倍 在未來的工作中 我們將進一步地運用表面修飾 金奈米粒子之三維結構 來幫助提升螢光分子之螢 光訊號 另外 我們發現含金奈米粒子之三維結構 具有很好光熱轉換效率 可用於光能轉換相關應用 物理專文 參考文獻 [1] T. Tanaka and S. Kawata, Appl. Phys. Lett., 80, 312 (2002). [2] S. Kawata, H.-B. Sun, T. Tanaka, and K. Takada, Nature, 412, 697 (2001). [3] M. Deubel, G. Freymann, M. Wegener, S. Pereira, K. Busch, and C. M. Soukoulis, Nature Mater., 3, 444 (2004). [4] J. Li, B. Jia, G. Zhou, C. Bullen, J. Serbin, and M. Gu, Adv. Mater., 19, 3276 (2007). [5] N. D. Lai, J. H. Lin, W. P. Liang, C. C. Hsu, and C. H. Lin, Appl. Opt., 45, 5777 (2006). [6] C. Y. Wu, C. C. Huang, J. S. Jhang, A. C. Liu, C.-C. Chiang, M.L. Hsieh, P.-J. Huang, L. D. Tuyen, L. Q. Minh, T. S. Yang, L.-K. Chau, H.-C. Kan, and C. C. Hsu, Opt. Express, 17, (2009). 作 者 楊子萱 國立中正大學化學暨生物化學系 副教授 林建宏 國立中正大學物理系博士後研究員 黃家琪 國立中正大學化學暨生物化學系博士生 杜名碧 國立中正大學物理系博士生 周禮君 國立中正大學化學暨生物化學系 教授 巫晟逸 國立中正大學物理系博士生 張天立 工業技術研究院 - 機械所 工程師 林宏彝 工業技術研究院 - 機械所 副組長 許佳振 國立中正大學理學院院長及物理系教授 ccuchiachenhsu@gmail.com 甘宏志 國立中正大學物理系 副教授 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:00

24 飛秒雷射材料微奈米加工簡介 Micro/Nano machining with femtosecond laser pulses 撰文 鄭中緯 吳秉翰 沈威志 林岑盈 飛秒雷射的超快 超強 超微的特性 如雷射脈衝寬度在飛秒 (10-15 秒 ) 等級 材料在此超短脈衝 寬度照射下 透過聚焦方式可在加工區域產生超強功率密度 (peak power density) 飛秒雷射加工機 制有別於長脈衝雷射 (10-9 秒等級 ) 具極低熱影響區及非線性多光子吸收 (nonlinear multi-photon absorption) 特性 可實現精度為次波長等級之超微加工能力 本文針對工研院南分院之飛秒雷射微 奈米加工成果作簡介 可了解飛秒雷射在各種材料微奈米成型 表面及內部局部改質之應用 透過 各種先進飛秒雷射系統建置 提供飛秒雷射先進製程測試及開發 協助國內設備商開發先進雷射製 程設備以滿足產品製造商之先進製程要求 以應用於高精密 高附加價值的產品製造上 前言 射微奈米加工將扮演重要角色 從 1960 年代發明雷射至今 今年剛好滿五十週 從 1990 年代開始 國際上開始有研究探討鈦藍 年 期間不同型式的雷射源逐漸被開發出來 如染 寶石飛秒雷射在材料微細加工之可行性 飛秒雷射 料 (dye) 氣 體 (gas) 固 態 (solid state) 鈦 藍 寶 石 光束透過聚焦方式可產生極高功率密度 例如脈衝 (Ti:sapphire) 及最近的光纖 (fiber) 型式 其雷射脈 寬度為 100 fs 的飛秒雷射 1 mj 的脈衝能量就可以 衝寬度也逐漸下降 從微秒 奈秒 飛秒及埃秒 在聚焦光斑直徑為 20 µm 的焦點上 產生約 1015 如圖 1 所示 從發明雷射至今 其在加工應用場合 W/cm2 等級的功率密度 如此高的功率密度可以使 一直扮演重要角色 如汽車板金之切割 焊接及材 雷射與材料的交互作用過程產生非線性多光子吸收 料打樣等 但隨著半導體 顯示器 太陽能電池 (nonlinear multi-photon absorption) 效應 可在任何材 LED 等產業發展 也廣泛應用到微奈米 (micro/nano) 料表面及內部實現極低的熱效應及突破光學繞射極 加工 透過奈秒雷射已可進行材料削除 (ablation) 及 限的超精密加工 文獻 [1-4] 為我們團隊整理國內外 微結構製作 但國外 Photonics21 聯盟提出在產品設 飛秒雷射應用於材料加工之研究動態 並含有飛秒 計越來越輕薄短小情況下 製造技術必須有所突破 雷射與材料作用機制說明 有興趣讀者可進一步參 飛秒雷射由於加工熱效應低及精度較佳 預期在雷 考 本文主要透過工研院南分院之飛秒雷射微細加 工實驗成果作介紹 如圖 2 所示 讓讀者進一步領 Microsecond (10-6 s) 圖二 工研院南分院之飛秒雷射微細加工實驗成果 No burr Pulse width Nanosecond (10-9 s) Femtosecond (10-15 s) 50 um 100 um Attosecond (10-18 s) Silicon Glass Al 200 um 1960s&70s 1980s 1990s 20xx 圖一 雷射脈衝寬度之演進 208 物理雙月刊32-3_ indb 208 雙月刊 Silica fiber PMMA ITO film ITRI South, Femtosecond laser application lab. 32 卷３期 2010/12/23 下午 07:04:03

25 飛秒雷射材料微奈米加工簡介 略飛秒雷射應用於材料加工之特性 物理專文 飛秒雷射微奈米加工特色 本章節主要針對飛秒雷射微奈米加工特色 如低 工研院南分院之飛秒雷射實驗系統介紹 由於飛秒雷射之獨特加工特性 已吸引歐 美 日等國製程設備廠商配合半導體 顯示器 太陽能 電池 LED 生物晶片等產業 紛紛投入飛秒雷射 微奈米加工技術開發 但台灣廠商對於此新雷射加 熱影響區 內部局部改質 次波長加工精度等作介 紹 實驗成果皆透過工研院南分院建置之飛秒雷射 實驗系統所達成 光纖的演進及其關鍵技術應 1. 低熱影響區 工機制不熟悉及無適當環境作先期測試評估 無法 對於一個飛秒雷射脈衝 ( 如 100 fs, 秒 ) 而言 有效配合國內相關產業進行新製程技術開發 使得 由於脈衝寬度時間比材料內部電子及聲子之轉換時 設備技術自主及製程創新受到限制 為協助此問題 間 (electron-phonon time, 約 數 秒 ) 小 反 應 機 工研院南分院雷射應用科技中心於在政府資源協助 制主要為非熱平衡方式 有別於傳統長脈衝雷射之 下 成立飛秒雷射應用實驗室 已建置高功率鈦藍 熱平衡方式 熱傳效應通常可以忽略 由於受熱能 寶石飛秒雷射及高重複頻率飛秒光纖雷射實驗系 所 影 響 的 區 域 範 圍 (heat affected zone) 縮 小 可 使 統 系統主要規格如圖 3 所示 可提供產學研作先 得加工區域周圍材料的物理或化學性質改變程度降 期測試評估 新製程技術開發及試量產服務等 以 低 以應用於半導體 3D IC 所需之 TSV (through sili- 加速切入先進製造技術領域 並進一步整合產學研 con vias) 為例 在最近發表之文獻 [5] 中指出飛秒雷 單位 共同研發飛秒雷射創新應用技術 扮演未來 射加工後之孔洞 相較於奈秒及皮秒雷射 周圍產 雷射技術應用的開路先鋒 生的熱影響區最低 可應用於更高電子封裝密度需 求場合 圖 4 為透過波長 800 nm 飛秒雷射針對矽晶圓進行 鑽孔之 SEM 圖 每個孔洞直徑約 250 µm 材料厚 度約 400 µm 目前每個孔洞加工時間約 30 秒 透 過雷射功率優化可達每個孔洞 3 秒 圖 5 則為透過 波長 800 nm 飛秒雷射針對鋁金屬進行鑽孔之 SEM 圖 孔徑約 100 µm 材料厚度約 100 µm 由圖 4~ 圖 5 可以得知 加工孔洞邊緣之火山口 (burr) 及融 圖四 飛秒雷射加工矽晶圓之 SEM 圖 Fs laser Silicon wafer 400炯m thick No burr 800 nm X ʅ=250炯m 圖三 工研院南分院之飛秒雷射實驗系統 Silicon wafer / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb um /12/23 下午 07:04:04

26 可使超過雷射削除劑量閥值之區域被削除 加工線 化層現象可有效降低 寬可小於雷射聚焦光斑直徑 因為材料在飛秒雷射 照射下 削除劑量閥值相當明確 代表削除劑量閥 值固定 透過不同峰值劑量 則可以削除不同的線 寬 在精確能量控制下 加工精度可達次波長等級 如圖 7 為在透明導電薄膜上 透過改變雷射能量方 式製作小於 1µm 圖案之 SEM 圖 但利用此方式進 行大面積加工時 受限於單點直寫加工方式 會有 製程速度過慢問題 圖七 透明導電薄膜上製作次微米圖案之 SEM 圖 50 um 6XE PLFUR SDWWHUQ 圖五 飛秒雷射加工鋁金屬之 SEM 圖 2. 內部局部改質 將飛秒雷射聚焦於玻璃內部進行掃瞄 如圖 6 所 示 利用飛秒雷射非線性吸收特性 使只有聚焦區 域因功率密度極高而產生吸收 雖然單光子能量小 於材料能隙 但電子仍可以透過非線性吸收而產生 躍遷 進而使材料產生局部改質 再利用結晶區與 非結晶區在酸蝕刻下反應速率不同的特性 可於玻 璃內部產生微流道 所製作出來的內部微流道寬度 最小約 5 µm 圖中為細胞通過頸部之情形 為解決此問題 目前國際上正積極研發另一種方 式 主要沿用在 1980 年代已經發現的雷射誘發週期 表 面 微 結 構 (laser induced periodic surface structure, 簡稱 LIPSS) 現象 直接在材料表面誘發產生週期結 構 LIPSS 的成型機制目前尚無定論 而在文獻中 最常被引用的理論機制主要有因材料缺陷所引起的 Fs laser 干涉及表面電漿波 (surface plasmon) 所引起的干涉 800 nm neck cell 由於飛秒雷射短脈衝特性 週期結構可小於雷射波 長 為長脈衝雷射所不及 由於可以透過光束整型 20 ʛm Transparent glass 進行大面積結構製作 成型速度快 為近期備受矚 目的技術 圖六 飛秒雷射進行透明材料內部局部改質 3. 次波長加工精度 圖 8 為 透 過 800 nm 飛 秒 雷 射 針 對 SKD11 金 屬 材料表面製作次波長結構 誘發所產生的結構節距 利用飛秒雷射加工具極小的熱影響區及明確雷 約為 600 nm 條狀的延伸方向與雷射極化方向垂 射削除劑量閥值特性 美國密西根大學研究團隊於 直 並因光照射直條紋產生光柵的繞射作用 而使 1994 年首先發表飛秒雷射之次波長加工技術 [6] 當 SKD11 材料在加工區域呈現七彩混光的效果 圖 9 雷射光束為高斯形狀時 透過雷射脈衝劑量控制 為透過 800 nm 飛秒雷射針對銀金屬材料表面製作次 210 物理雙月刊32-3_ indb 210 雙月刊 32 卷３期 2010/12/23 下午 07:04:07

27 飛秒雷射材料微奈米加工簡介 物理專文 Fs laser 波長結構之 AFM 圖 節距約為 600 nm 深度約 nm nm Fs laser 800 nm Period ~600 nm 5um 光纖的演進及其關鍵技術應 Black silicon 圖十一 飛秒雷射進行矽材料表面微米結構製作 Color metal 圖八 飛秒雷射進行 SKD11 金屬材料表面次波長結構製作 (b) (a) Height (nm) Height (nm) Position (µm) Position (µm) 2000 圖十二 反射率量測 滿奈米結構 因微米突狀結構具抗反射的效果 而 圖九 飛秒雷射進行銀金屬材料表面次波長結構製作 (a) 照射前及 (b) 飛秒雷射照射後之 AFM 圖 使不鏽鋼材料在加工區域呈現深黑色 圖 11 為透過 800 nm 飛秒雷射針對矽材料表面製作微米結構 產 Fs laser 生直徑及高度皆約為 3 µm 的圓柱狀微結構 將此 800 nm 圓柱狀微結構作成 mm2 的樣品 以積分球 對此結構進行反射率分析 結果如圖 12 所示 對可 見光的反射率可降至約 5% Black metal 10um 圖十 飛秒雷射進行不鏽鋼金屬材料表面微奈米混合結構製作 結論 飛秒雷射在近十幾年已經被證實可以針對半導 圖 10 為透過 800 nm 飛秒雷射針對不鏽鋼金屬材 體 金屬 玻璃 陶瓷 有機 和生物組織等材料 料表面製作微奈米混合結構 當雷射照射能量密度 達到傳統雷射加工所不能達到的高品質加工 對於 高於原本誘發的奈米結構能量 可進一步在材料表 雷射與材料之交互作用機制 透過國際研究也逐漸 面直接製作出微奈米混合結構 觀察出可產生直徑 明朗化 應用於光電產品製作上 這幾年也開始有 約 3~10 µm 的突狀微結構 且在每個微結構上佈 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:09

28 相關文獻發表 工研院南分院雷射應用科技中心近 年來致力發展雷射技術及設備建構 建立雷射源開 發 先進雷射實驗系統 成為國內特有之雷射中心 飛秒雷射應用實驗室以建立飛秒雷射創新應用技術 為重點 期能成為國內飛秒雷射應用技術之開路先 鋒 並整合國內產學研單位 共同進行前瞻飛秒雷 射製程研發 以提升國內先進製程之競爭力 致謝 感謝經濟部技術處經費支持 以及中央研究院王 俊凱博士指導及部門同仁協助 得以讓此文章完成 撰寫 作 者 作者 鄭中緯 吳秉翰 沈威志 林岑盈 任職單位 工業技術研究院南分院 雷射應用科技中心飛秒雷射技術部 參考文獻 [1] [2] [3] [4] [5] 吳秉翰, 蔡武融, 鄭中緯, 沈威志, 飛秒雷射誘發功能性微奈米結構製作技術 機械工業雜誌, 2010 年 2 月號. 吳秉翰, 沈威志, 簡志維, 鄭中緯, 飛秒雷射加工矽晶圓之特性研究 機械工業雜誌, 2009 年 2 月號. 鄭中緯, 陳政雄, 飛秒脈衝雷射微加工技術 機械月刊, 2008 年 3 月號. 鄭中緯, 超快雷射應用於金屬材料之奈米加工介紹 機械工業雜誌, 2007 年 12 月號. R. RIESKE, R. LANDGRAF, and K.J. WOLTER, Novel method for crystal defect analysis of laser drilled TSVs, 2009 Electronic Components and Technology Conference. [6] U.S. patent 5,656,186, Method for controlling configuration of laser induced breakdown and ablation, 物理雙月刊32-3_ indb 212 雙月刊 32 卷３期 2010/12/23 下午 07:04:10

29 飛秒雷射材料微奈米加工簡介 物理專文 光纖的演進及其關鍵技術應 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:12

30 非同步雙超快光纖雷射光梳之應用 撰文 劉子安 徐仁輝 陳曉陽 劉惠中 彭錦龍 我們發展一套非同步之雙鎖模光纖雷射光梳系統 兩台雷射光梳的重複 率分別穩定到不同的參考頻率以達到時域上的非同步 並且已將此非同步光 梳系統應用在半自動化雷射頻率監測與絕對距離量測上 未來更可應用在材 料之光譜特性分析與光波導元件的色散分析上 產生的光梳波長範圍非常窄 只有 30 nm 左右 而 簡介 且受限於其單頻雷射的穩定度 其頻率準確度只有 超快 ( 脈衝 ) 雷射的發展從早期的固態雷射到現今 10-9 鎖模光纖雷射光梳則可以達到 甚至更好 的光纖雷射 從提高脈衝功率 縮短脈衝寬度 到 以兩台光纖雷射光梳為基礎 將是建構八度光頻寬 最近應用在頻率計量與工業應用上所需要的精準頻 量測範圍的光頻率計數器的必然趨勢 我們已在幾 率量測與系統小型化上 年前完成一套鎖模光纖雷射光梳 [4] 本文將利用雙 一般現今用來準確量測雷射頻率 / 波長的儀器就 光梳分別操作在兩個不同的重複率同時決定光梳序 屬以氦氖雷射干涉儀為基礎的波長儀最方便了 然 數特性 可以將待測雷射的擾動量去除 而不至於 而其換算成頻率之量測不確定度可以大到 10 ~ 100 影響到光梳序數的決定 且幾秒內即可完成半自動 MHz 2005 年的諾貝爾物理學獎得主 T. Hänsch and 化的精準光頻量測 精密的頻率計數器 頻譜分析 J. Hall 等人致力於利用鎖模飛秒雷射產生超寬頻的 儀或是頻率合成器 (Synthesizer) 在微波頻率範圍是 光頻梳 [1,2] 並在近幾年來被用來做為光頻計量研 非常成熟的技術 但是相關的儀器在光頻率範圍卻 究 [3] 一般而言可達到 1 khz 以下的量測不確定度 是付之闕如 我們雙光梳技術可以加速這類光頻相 當我們要利用一台鎖模光頻梳量測未知雷射的頻率 關儀器的發展 時 將兩個雷射拍頻後 未知雷射的頻率可被表示 除了精準的光頻量測外 超快光纖雷射的小型與 為 fl=nfr±fo±fb 其中 n 為與待測雷射拍頻的光梳序 易於攜帶特性 也將使其發展到其他例如絕對距離 數 fr 為脈衝串列的重複率 fo 為 ( 載波波包 ) 偏差 量測與人體呼氣檢測作為醫療用途等應用上 (carrier-envelope offset, CEO) 頻率 fb 為拍頻頻率 在絕對距離的量測上 超快雷射技術的開發提供 然而由於一般決定這些係數時除了需要一邊調整訊 了許多優於以連續雷射光波或白光為光源的干涉測 號產生器的頻率並藉由觀察拍頻變化得到這些常數 距系統 由於光干涉技術在量測操作上存在某些限 的符號外 其量測結果亦與待測雷射擾動量相關 制條件 最顯著的就是必須藉由參考物與待測物之 使得量測所花時間拉長而且待測雷射的頻率擾動量 間的相對位移量來判斷距離 無法應用於長程距離 有其限制 (<10 khz) 日本 OptoComb 公司首先用雙 的絕對量測 因此 絕對測距的相關研究和技術開 光梳的技術開發出光頻率計數器 但是他們的光梳 發逐漸受到重視 我們知道人造衛星的間距的準確 是利用在共振腔內調制單頻 CW 雷射而產生 這樣 性 關係到全球定位系統 (Global Positioning System, 214 物理雙月刊32-3_ indb 214 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:13

31 非同步雙超快光纖雷射光梳之應用 物理專文 GPS) 定 位 的 尺 寸 精 度 歐 洲 太 空 總 署 European 將其各別鎖在不同的頻率上 一組標記為訊號 (Sig- Space Agency 縮寫 ESA 一直以此為重要的參數 nal) 雷射脈衝 將其打在待測物體表面 另一組標 而在尋求改進之途 目前的方法是利用雷達測距 記為本地振盪器 (LO, local oscillator) 雷射脈衝 使 其準確度受限於波長 而距離量測系統必須考慮到 其與反射的訊號雷射脈衝產生拍頻 分析兩道脈衝 三個關鍵性因素 準確度 不含糊範圍 (nonambiguity 內光梳產生干涉或取樣訊號的相位改變量 推算出 range) 數據更新速率 (update rate) 高準確度的量 待測物體與觀察者之間的絕對距離 此時 飛秒光 測是維持人造衛星間相對位置的第一要因 而失真 梳絕對測距的技術正提供了絕佳的量測方法 符合 範圍則是影響循環週期的次數 不含糊範圍越大則 高精確 即時量測 不含糊範圍大的條件限制 其 越容易判斷位置訊號是落在時域週期上的哪一段 精確度達到 5 nm 量測時間為 200 µs 不含糊範圍 至於數據更新速率 則越快越能即時推算出量測的 為 1.5 m 理論上最長量測範圍可達到 30 km[7] 結果 以韓國高等科學技術院 (KAIST) 於 2006 年 利用雙光梳法進行的非同步時域光學取樣除了可 至 2008 年所作的絕對測距實驗為例 其訊號不含糊 以避免因為一般的光學取樣遇到的機械式的光學延 範圍為 mm 當量測距離在 0.89 m 範圍內時解 遲掃瞄時所引起的光束位置擾動與大小變化外 同 7 析度為 7 nm 理論上最大量測範圍可達到 時在做生物或其他樣品的動態與成像分析時 亦具 m[5,6] 最近美國國家標準與技術研究院 (NIST) 藉 有快速取樣 (~ms) 與長程掃描範圍 (~ 幾十公分 ) 等 由非同步雙超快雷射光梳架設一組絕對測距系統 優點 而其數據擷取可藉由數位示波器與頻譜分析 [7] 其構想來自於非同步外插式 (heterodyne) 的同 儀直接及時的擷取 使其比其他時域分析法更具 調光學取樣技術 優勢 然而目前 NIST 將光梳雷射的某個光梳的頻 外插式的同調光學取樣法是將兩個光纖雷射光梳 率 fn 鎖在腔長穩定的連續波雷射上 因此需要額外 操作在不同的脈衝重複率 可以用在例如 THz 時域 的穩頻雷射光來當參考光源 本文將介紹本實驗室 光譜分析 絕對距離量測 物質光譜與色散分析上 利用既有的自參考技術 將光梳的偏差頻率和重複 且具有即時量測與高解析度等優點 關於雙光梳的 率鎖定在微波頻率源 由公式第 n 根光梳的頻率為 快速時域分析 ( 與高解析光譜分析 ) 上 最早是由日 fn=nfr+fo 可知只要鎖定了 fr 與 fo 就可以相當於鎖定了 本大阪大學在 2005~2006 年間將兩個光梳雷射重複 fn 的頻率了 並將之用在絕對距離量測上 率的差頻穩定在微波頻率標準源上 以光學取樣 ( 與 多頻外插式光導偵測法 ) 達到快速且精確 ( 與高頻率 雙光梳測頻原理 精度 ) 的兆赫 (THz) 時域 ( 與頻域 ) 頻譜分析 [8,9] 當我們要以飛秒雷射光梳來量測未知雷射的頻率 而德國康斯坦茨 (Konstanz) 大學在 2007 亦發表了利 時 將重複率為 fr1 與 fr2 偏差頻率為 fo1 與 fo2 的雙 用同樣的取樣技術完成了材料的泵 - 探 (pump-probe) 光梳與未知雷射拍頻 個別拍頻的頻率分別為 fb1 與 載子分析與高解析快速取樣之兆赫時域頻譜 [10] fb2 光梳序數分別為 n 與 n+m 為了簡單說明起見 最近 (2008~2009) NIST 的研究群也將雙雷射光梳分 假設雙光梳偏差頻率與拍頻頻率的符號都已決定 別鎖在不同的穩頻連續波雷射源上 利用同調線性 這些符號的判斷方法可參考以往的文獻 [12] 並將 光學取樣技術 達到快速且精確 ( 與高頻率解析 ) 之 兩個偏差頻率鎖在同一個頻率源 亦即 fo1=fo2=fo 絕對距離量測 ( 與精密分子光譜或光纖色散特性量 因此未知雷射的頻率可假設為 : 測 )[11,7] fl = n fr1+fo+fb1 (1) NIST 在測距上首先以兩組寬頻光纖雷射為光源 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:14

32 fl = (n+m) fr12+fo+fb2 (2) 圖一是以兩台鎖模摻鉺光纖雷射光梳為基礎的半 我們知道由前面的式子 (1) 與 (2) 可以導出第一個 光梳序數 n 與兩個光梳序數間之差值 m: mf + f - f n = r2 b2 b1 f r1 - f r2 m= 自動化光頻計數器系統架構圖 這兩台鎖模雷射是 依據偏振加成的鎖模方式 (P-APM) 製成的環型光纖 (3) 雷射 利用一個壓電陶瓷管固定在每個共振腔中 可用來調整重複率範圍達 3.5 khz 詳細的光纖雷射 n(f r1 - f r2 ) - f b2 + f b1 f r2 (4) 光梳架構可參考文獻 [14] 每台雷射經過高非線性 光纖 (HNLF) 的非線性效應後 各有兩道達八度頻 由式 (4) 可知假如兩個拍頻頻率 fb1 與 fb2 是同時量 寬 ( 從 1050 nm 到 2100 nm) 的超連續光分支輸出 測 則未知雷射的頻率擾動量能夠經由 fb1-fb2 被抵銷 一道做為偵側 CEO 頻率用 另一道做為與未知雷射 掉 因此這種方法對於未知雷射的擾動量也是無關 產生拍頻的用途 因此未知雷射的頻率只要是落在 的 在之前我們的系統架構 [13] 中 m 是由進一步 此八度的頻率範圍內皆可測量 各別雷射光梳的重 量測 fr1/n 的量所決定的 這個值等於改變一個光梳 覆率與偏差頻率以手動的方式穩定到微波頻率合成 序數所需要的重複率改變量 在本文中 我們利用 器 頻率合成器的時基是用外部的 10 MHz 低雜訊 一個小型的單頻儀來粗略的量測未知雷射的波長 爐控式石英振盪器 這個石英振盪器則鎖相到 GPS 並得到一個 n 的估計值 ( 寫成 nest) 也就是說藉由 調校的銣原子鐘 這個 10 MHz 的參考訊號不穩定 nest = fl/fr = (c/λ)(1/fr) 來得到 其中空氣的折射率假 度在積分時間超過 1 秒鐘的情況下小於 雷 設為 1 由於空氣折射率的相對不確定度所造成的 射鎖定後的重複率其迴路外的追溯不確定度為 2 波長相對不確定度 <10 這個值遠小於單頻儀的量 1 s 因此重複率在長時間 (1 秒 ) 的量測下 測不確定度 δλ/λ> 因此我們可以忽 其雙光梳重複率的擾動量約為 10 µhz 而 CEO 頻 略因為折射率的不確定性所引起在波長量測過程中 率不確定度是在 mhz 的等級 如何穩定重複率與偏 造成的波長不確定度 把 nest 代入式 (4) 的 n 中 我 差頻率的詳細描述已經發表在其它刊物 [15] -5 們可以得到雙光梳之序數差值 m 並藉由式 (3) 的計 Nd:YAG 雷射當成未知雷射來測試我們的光頻計數 算可以得到正確的光梳序數 n 值 圖一 半自動化的光頻計數器系統架構圖 Phtoto- Two-branch frequency-stabilized fs fiber laser Polarization dete ctor HNLF controller Er amplifier Laser under measurement Two-branch frequency-stabilized fs fiber laser 3 db coupler HNLF Er amplifier 我 們 用 一 個 中 心 波 長 約 1064 nm 的 碘 穩 頻 DC PC DAQ Band pass filter AC Band pass filter DC PC DAQ Monochrometer 器 Nd:YAG 雷射的二倍頻訊號被鎖相在碘分子中 R(56)32-0 能階躍遷的第 a10 個分量 將待測雷 射耦合到一個單模光纖 並用一個 3 db 的光纖 耦合器分成兩道光 這兩道光分別與兩個光纖 雷射梳以一個 3 db 的光纖耦合器耦合在一起 並利用偏振控制器來確保 Nd:YAG 雷射的偏振 方向與光纖雷射光梳一致 該兩道光分別用一 個單頻儀來過濾掉對拍頻沒有貢獻的光梳 單 RF frequency counter 頻儀已經過霓虹燈管校正過波長 在 1000 nm 附近的波長不確定度 <6 nm 如上述量測原理 所述 這個值已足夠準確來估計光梳序數差值 216 物理雙月刊32-3_ indb 216 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:15

33 非同步雙超快光纖雷射光梳之應用 物理專文 經過單頻儀掃描到中心波長為 1064 nm 的光柵位置 部觸發的兩個微波頻率計數器所偵測 ( 量到個別之 時 其拍頻訊號即被 InGaAs 光電二極體所偵測並 拍頻頻率為 fb1 與 fb2) 經過一個微波帶通濾波器 此偵測到的拍頻訊噪比 圖 二 (a) 與 (b) 表 示 在 fr1 =100 MHz 以 及 fr2 在頻譜分析儀解析度為 100 khz 的情形下皆可達 30 = MHz 的情形下分別量到的拍頻頻率 fb1 與 db 並接到兩個微波頻率計數器來量測其精確之頻 fb2 圖二 (c) 為 fb1 與 fb2 的差值 可看出兩者相減的 率 一個波型產生器輸出 1 Hz 1 Vp-p 的方波外部觸 擾動量比個別拍頻的擾動量來的小 表示 Nd:YAG 發訊號給這兩台微波計數器作為同時擷取訊號用 雷射的頻率擾動量可藉由此種方式來銷抵掉 藉由 由於是同時取樣 因此可以去除雷射本身的頻率擾 進一步的改變第一台雷射光梳的重複率 0.1 Hz 由 動 fb1 的變化可以知道 fb1 的符號是負的 而藉由改變 CEO 的頻率 0.1 MHz 則兩個 140 MHz 的偏差頻率 半自動化光頻計數器 符號也同時被決定為負的 接下來 m 值則由以下 實驗上 首先用手動的方式將兩台光梳的重複 率 (fr1 與 fr2) 鎖在兩台頻率合成器上 使兩台光梳 未 知 雷 射 的 波 長 經 由 單 頻 儀 的 量 測 為 的重複率分別控制在 fr1 =100 MHz 以及 fr2= nm ± 5.3 nm 其對應到的光梳序數估計值 nest 為 MHz 而兩台光梳的偏差頻率則是藉由另一台頻率 ± 我 們 用 上 面 圖 二 所 量 到 的 fb1- 合成器鎖在 140 MHz 上 然後 將用來測頻的那 fb2 的 值 ( ± 106 Hz) 代 入 式 (4) 中 可 以 計 一道光梳的光纖放大器的驅動器關掉 再來就是用 算出來 m 的值為 30.95±0.15 因此可知 m 為 31 電腦驅動掃描單頻儀內的光柵 藉由偵測器讀到的 本方法的誤差最主要來自於估計值 nest 其相對不 直流訊號最大值控制使得未知雷射可以打到光偵測 確定度約 但已經足夠準確來決定 m 接下 器 之後則打開兩台雷射的測頻光梳驅動器並讓這 來決定 n 根據式 (3) 所計算出來的光梳序數 n 值 兩道光與未知雷射分別打到兩個光偵測器上產生拍 如 圖 二 (d) 所 示 其 不 確 定 度 只 有 0.1 明 顯 的 看 頻 藉由手動調整偏振控制器來最佳化這兩個拍頻 到 n 的值為 根據式 (1) 與 (2) 可算出未知 訊號的訊噪比 輸出之兩個拍頻訊號則同時由具外 雷射的頻率的值分別為 (0.9) khz 與 圖二 (a) 與 (b) 為在 fr1=100 MHz 與 fr2= MHz 時 同步量測所得到的拍頻訊號 計數器的取樣時間為 1 秒 (c) 為拍頻頻率差 (d) 為計算得到的 n (0.9) khz 這個值跟以前量到的值在 (a) fb1=68,254,165±621 Hz Time (s) Time (s) (d) n= ± Time (s) 的脈衝串列經由參考平面或目標物反射後之訊號標 脈衝串列標記作本地振盪器脈衝 (LO Pulses) 在時 fb2=70,286,656±627 Hz 有微小差異的頻率上 重複率 fr=100 MHz-2.5 khz 記作訊號脈衝 (Signal Pulses) 重複率 fr=100 MHz 的 非同步取樣原理 穩頻飛秒雷射光梳 將兩組脈衝的重複週期鎖在具 不確定度的範圍內是一樣的 [13] 關於非同步取樣的實驗我們使用兩組同上結構的 n Frequency (MHz) 50 fb1-fb2=-2,032491±106 Hz (b) (c) Frequency (MHz) Frequency (MHz) 的方法來決定 Time (s) 域上 標記作 Signal 的雷射光梳主要功用為藉由待 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:16

34 測物表面與參考平面反射訊號之時間差來分析兩者 取樣頻率的示波器取樣 更能輕易將飛秒等級的脈 間的資訊並推算距離 標記作 LO 的雷射光梳主要 衝波形解析出來 進一步提高測距的精確度 功用則為提供一組寬頻的本地振盪器覆蓋整個量測 為符合奈奎斯特定理限制 (Nyquist limit) 的取樣條 時域作線性光學取樣 (linear optical sampling) 線性 件 在偵測器前加裝中心波段為 1550 nm ±6 nm 的 光學取樣原理如圖三所示 當兩個脈衝串列重複率 光學式帶通濾波器 (band pass filter) 混頻訊號頻寬 差一點點時 Signal 與 LO 將有某個脈衝會在空間 被壓縮為 上重合 之後下個脈衝則會稍微偏移一點 偏移量 ν = c l c l ) m/s THz =( 1544 nm 1556 nm 1 1 為 1/fr1-1/fr 2=Δfr/(fr1 fr2) 取決於重複率差值 以 1 此時 4 T = GHz 所以 ν << 4 T 符合一般取樣原理所 需遵守的奈奎斯特定理限制條件 另外在電子線路 khz 的重複率差來計算 其偏移量相當於取樣的最 方面 為了避免通頻的假頻 (alias) 現象 我們在偵 小間距為 100 fs 測器後面接了一個 50 MHz 的低通濾波器來限制輸 當標記為 Signal 的雷射光梳產生了一組連續的脈 r r 入訊號的頻率 衝: ES (t ) = eiφs e - i 2πν 0t n AS (t - ns TS ) 其 中 As 為 脈 衝 S 波包 TS 為脈衝週期 ϕs 為相位 標記為 LO 的雷 射光梳亦產生了一組連續的脈衝 : EL (t ) = eiφl e - i 2πν 0t n AL (t - nltl ) 其 中 AL 為 脈 衝 波 L 包 TL 為脈衝週期 ϕl 為相位 為簡化後續之計 算 在此假設兩組脈衝的頻率皆為 νo (Signal 及 LO 的頻率極為接近 ) 兩組脈衝混頻時儀器將偵測到 V (t ) = R(t ) [ EL* (t ) ES (t )] 的訊號 R(t) 為訊號和偵測器之 間的響應 當偵測器調整至取樣週期與 TL 的脈衝 週期同步時 V (t ) = V (t = n T ) = L L k ei φ R(t ') AL* (-t ') AS (nl T - t '- kts ) dt ' T=TL-TS k = ns - nl 假設 τ = nl T 則量測方程式 i φ 可 改 寫 為 V (τ ) = e S (τ ) AS (τ ) k δ (τ - kts ) + σ 圖三 線性光學取樣原理示意圖 S (τ ) R (τ ) AL* (-τ ) φ = φs - φl 表示每一次取樣時外 在影響所產生的雜訊訊號 [16] 將兩組脈衝雷射的重複週期鎖在具有微小差異 Tϒ 的頻率上 LO 脈衝串列的重複週期為 Tϒ Signal 脈衝串列的重複週期為 Tr - Tr 兩組脈衝混頻後 Tupdate = Tr2 1 = Tr f r 在偵測器上所看到新的重複週期為 以本實驗參數為例 LO 脈衝串列的重複率為 100 MHz Signal 脈衝串列的重複率為 MHz 偵 Fiber laser 1 Rp = MHz [ Signal ] f r and f o stabilized to synthesizers that referenced to RF standard He-Ne laser Optical Target mirror window 50:50 coupler Fiber laser 2 Rp =100 MHz [ LO ] 50:50 coupler POL 1550 nm color filter 50 MHz LPF PD oscilloscope 測 器 上 所 看 到 新 的 重 複 週 期 為 Tupdate = Tr2 (10 ns ) 2 = 0.4 ms 此時將原本 Tr [( MHz ) -1 - (100 MHz ) -1 ] 圖四 雷射光梳測距系統架構圖 奈秒等級的重複週期 Tr 放大為次毫秒 不僅利於低 218 物理雙月刊32-3_ indb 218 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:17

35 非同步雙超快光纖雷射光梳之應用 物理專文 圖六 雙光梳重複率差約為 (a) 2.5 khz 與 (b) 0.25 khz 時 在數位示波器上量測 Signal 反射回來與 LO 相 干涉的非同步取樣訊號 ( 第一個反射訊號的放大圖 ) 圖五 雙光梳重複率差約為 2.5 khz 時 在數位示波器上量 測 Signal 反射回來與 LO 相干涉的非同步取樣訊號 快速之雙光梳絕對距離量測 雷射光梳測距系統架構如圖四所示 在目標鏡後 端放置一個附有光學尺之移動平台 並在平台上架 設一個雷射干涉儀 實驗操作過程中將 LO 訊號重 複 率 固 定 在 100 MHz 將 Signal 的 重 複 率 調 變 為 圖七 利用移動平台移動目標鏡位置 並量測其取樣波 形的變化 MHz 與 LO 訊號存在 2.5 khz 的重複率頻 Tr 差 相當於將訊號在時間上產生 Tr = 倍的放 大率 可在示波器上即時的看到高解析的脈衝電場 波形 由於高解析波形的精確可析 因此預期將可 應用在材料之光譜特性分析與光波導元件的色散分 析上 圖五為調整雙光梳重複率差約為 2.5 khz 時 在數位示波器上量測 Signal 反射回來與 LO 相干涉 的非同步取樣訊號 參考訊號或目標訊號左邊的小 訊號為參考鏡厚度所造成的前端面反射 細部看訊 號則可得到高解析之干涉圖 如圖六 (a) 所示 圖六 (b) 為當重覆率差為 0.25 khz 時的更高解析之取樣波 形 圖五中可以明顯的看到從第一面之部分穿透鏡 (Reference) 的兩個反射面和反射鏡 (Target) 反射回來 圖八 雙光梳飛行時間法所得到的距離與從 He-Ne 雷 射干涉儀所得到真值之比較 直接從時域上分析待測距離的長度 L= c m s m s t = m cm 2n 這個值與用捲尺量測的結果相當 證明系統與 理論正確 的脈衝訊號 當細部的將脈衝波包的中心時間點找 接著我們利用移動平台移動目標鏡位置 並藉由 出來就能找出參考鏡與目標鏡間所代表的距離差 取樣波形量測其絕對距離的變化如圖七所示 可看 藉此達到絕對距離量測的目的 到目標鏡移動了約 8.5 cm 左右 計算其間距並與經 過校正測距精密度達 10 nm 等級的 He-Ne 雷射干涉 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:18

36 儀量測的值做比較 可看到十分良好的線性度 如 系統 將可達到將近 的準確度 而脈衝電場波 圖八所示 另外也看到在此距離下的測距不確定度 形的高解析特性更可應用在材料之光譜特性分析與 約為 40 µm 換算在 40 cm 內量測的距離相對誤差 光波導元件的色散分析上 約 1/10000 然而我們依據公式知道從目標鏡反射回來的訊號 誌謝 在示波器上是每隔 Tupdate=1/(Δfr) 的時間重複一次 ( 相 首先感謝經濟部標檢局對本研究的支持 亦特別 當於雷射脈衝的重複時間 ) 因此這個重複訊號在 感謝 NIST 的 N. R. Newbury I. Coddington 與 W. C. 時間上所造成的不確定度可以寫成 δtupdate=δ(δfr)/ Swann 等人在雙光梳雷射測距不確定度上的討論 2 (Δfr) 我們可以將重複率之擾動量造成的不確定 度所引起的最大距離量測誤差表示如圖九所示 代 入理論上我們兩台雷射重複率在積分時間一秒內的 追蹤不確定度 δδfr/fr~ ( 如圖九中箭頭所示 ) 後 雷射脈衝的擾動量所造成的量測不確定度應該 為 ~ 1 ps 其對應到的距離量測不確定度約為 3 ns 在我們示波器響應時間約 1 ns 的情形下應該是看不 出來 但我們仍看到有將近 100 ns 的擾動量 其原 因仍在調查之中 圖九 微波訊號源擾動量所引起的量測時間與距離不確 定度之關係圖 總結 我們將兩套鎖模光纖雷射光梳系統各別的重複 率分別穩定到不同的參考頻率以達到時域上的非同 步 並 將 此 系 統 應 用 在 Nd:YAG 雷 射 的 頻 率 檢 測 上 不受雷射擾動影響 精確的判斷拍頻的光梳序 數 進而量測得到其頻率值為 (0.9) khz 在絕對距離的測量上可量到在 40 cm 內量測的 距離相對誤差約 1/10000 相信藉由進一步改善量測 220 物理雙月刊32-3_ indb 220 雙月刊 作者 劉子安 徐仁輝 陳曉陽 劉惠中 彭錦龍 財團法人工業技術研院 量測技術發展中心 liutzean@itri.org.tw jlpeng@itri.org.tw 參 考 文 獻 [1] D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000) [2] Th. Udem, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Nature 416, 233 (2002) [3] L.-S. Ma, M. Zucco, S. Picard, L. Robertsson, and R. S. Windeler, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1066 (2003). [4] 彭錦龍 安惠榮, 物理雙月刊, 23, 523 (2004) [5] K.-N. Joo and S.-W Kim, Opt. Exp., 14, 5954 (2006) [6] K.-N. Joo, Y. Kim and Seung-Woo Kim, Opt. Exp., 16, (2008) [7] I. Coddington, W. C. Swann, L. Nenadovic and N. R. Newbury, Nat. Photon., 3, 351 (2009) [8] Takeshi Yasui, Eisuke Saneyoshi, and Tsutomu Araki Appl. Phys. Lett., 87, , (2005) [9] Takeshi Yasui, Yasuhiro Kabetani, Eisuke Saneyoshi, Shuko Yokoyama, and Tsutomu Araki, Appl. Phys. Lett., 88, (2006) [10] A. Bartels, R. Cerna, C. Kistner, A. Thoma, F. Hudert, C. Janke, and T. Dekorsy, Rev. Sci. Ins., 78, (2007) [11] I. Coddington, W. C. Swann, and N. R. Newbury, Phys. Rev. Lett. 100, (2008) [12] H. Inaba, Y. Daimon, F.-L. Hong, A. Onae, K. Minoshima, T. R. Schibli, H. Matsumoto, M. Hirano, T. Okuno, M. Onishi, and M. Nakazawa, Opt. Exp. 14, 5223 (2006) [13] J.-L. Peng and R.-H. Shu, Opt. Exp. 15, 4485 (2007) [14] L. E. Nelson, D. J. Jones, K. Tamura, H. A. Haus, and E. P. Ippen, Appl. Phys. B 65, 277 (1997) [15] J.-L. Peng, H. Ahn, R.-H. Shu, H.-C. Chui and J. W. Nicholson, Appl. Phys. B 86, 49 (2007) [16] I. Coddington, W. C. Swann, and N. R. Newbury, Opt. Lett. 34, 2153 (2009) 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:20

37 超靈敏之飛秒光場量測 物理專文 超靈敏之飛秒光場量測 撰文 楊尚達 飛秒光脈衝已經成為重要的科學研究工具 並有蓬勃發展中的產業應用價 值 如何精確解析及操控飛秒等級的光場將會是成功應用飛秒光脈衝技術的關 鍵 本文將探討飛秒光場量測技術的演變主流 並介紹本實驗室開發的 修正干 涉場自相關 技術在量測靈敏度上取得的突破 e(t ) = a (t ) cos [ω0t + ϕ (t ) ] 前言 其中 ω0 為載波角頻率 如圖一所示 -15 飛秒 (1 femtosecond=10 second) 光脈衝技術及相 關之研究迄今已催生了兩座諾貝爾獎 ( 註一 ) 藉由 a (t ) 及相位 a (t ) 的振幅 分別描述脈衝的包絡及瞬時頻率 隨時間的變化 它所提供的超高時間解析度 超大頻寬 超強尖峰 功率及強度 人們在分子動態研究 高速光纖通訊 兆赫波光學 同調 X 光源 雷射加速器 及生醫影 像等方面已經取得長足的進展 如同對電子活動的 精確操控能力促成了半導體電子技術在應用面的巨 大成功 對光場的精確解析及操控能力將是應用飛 秒光脈衝技術的關鍵 嚴格說來 飛秒光脈衝對應 的電場為隨著時間與空間變化的向量場 e ( x, y, z, t ) 在強聚焦條件下或光同調控制的應用上 電場的 圖一 飛秒光脈衝的純量時變電場示意圖 載波角頻率 可由光譜儀直接量出 故脈衝量測的主要課題為解析出 振幅及相位函數 空 間 啾 頻 (spatial chirp) 或 動 態 極 化 現 象 的 確 扮 演 應用傅立葉轉換 (Fourier transform) 的概念 光場也 重要角色 然而在大部分的應用中 皆可將飛秒光 可用其所對應之頻域包絡 (spectral envelope) 函數來 場視為簡單的電磁平面波 並以一個純量時間函數 描述 e(t ) 完整描述光脈衝的電場 本文將針對此一純量 A(ω ) = F {a (t )} = A(ω ) exp [ jψ (ω ) ] 其中符號 F { } 表示傅立葉轉換算符 時變電場的量測技術演變作探討 並介紹清華大學 光電所 超快光電實驗室 在量測靈敏度上獲得的 測量飛秒光脈衝的主要困難在於 (1) 脈衝的時 突破 間尺度遠小於半導體光偵測器 (photodetector) 及電 除了 few-cycle 等級的光脈衝以外 純量電場 e(t ) 可以用一個時域包絡 (temporal envelope) 函數來表 子儀器的反應時間 ( 目前的極限約為 second) (2) 硬體上僅能直接偵測訊號強度 解析訊號的相 示 位須仰賴特定實驗設計 將相位變化轉換為強度 a (t ) = a (t ) exp [ jϕ (t ) ] 兩者的關係為 變化 再搭配演算法還原出待測相位 為了克服時 間尺度上的限制 一個可行的方法是將待測光脈衝 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:22

38 送入共軸 (collinear) 麥克生干涉儀 (Michelson inter- harmonic) 訊號的平均功率 ( 圖二 路徑 2) 當非線 ferometer) 以產生具有相對時間延遲的脈衝對 (pulse 性晶體的厚度足夠小 使基頻和二倍頻訊號之間因 pair) 並記錄在不同時間延遲之下對應的平均功率 群速失配 (group velocity mismatch) 問題所累積的傳 ( 圖二 路徑 1) 如此一來 次微米級的光程差解 播時間差尚小於脈衝本身的寬度時 這種架構獲得 析度 ( 商用移動平台一般可達 0.1µm) 可以被轉換成 的原始數據經過演算法處理後可以得到待測光脈衝 飛秒級的時間延遲解析度 且只需要低頻寬的光偵 的 強度自相關函數 測器及電子儀器即可量取干涉訊號平均功率 以這 G2 (τ ) I (t ) I (t - τ ), (2) 2 其中 I (t ) = a (t ) 表示光脈衝的時域強度 (temporal 種架構獲得的原始數據經過演算法處理後可以得到 待測光脈衝的 場自相關函數 (field autocorrelation intensity) 函數 由公式 (2) 可知 當時間延遲 τ 略等 function) 於光脈衝的時間寬度時 兩發脈衝 I (t ) 和 I (t - τ ) G1 (τ ) a (t )a (t - τ ) * (1) 會有明顯的分離 導致 G2 (τ ) 的量值會明顯比其最 其中符號 代表對時間變數 t 做積分運算 然而 場自相關函數等效於光脈衝的頻域強度函數 大值 G2 (0) 來的小 意即 G2 (τ ) 的寬度可以被用來 估計 光脈衝的時間寬度 直到 1990 年代初期 F {G1 (τ )} = A(ω ) 為止 此一簡單的非線性干涉量測技術是驗證飛秒 意味著這種線性干涉量測技術完全喪失了最關鍵的 光脈衝寬度的主要工具 然而擷取強度自相關函數 頻域相位 (spectral phase)ψ(ω) 以致無法分辨轉換 G2 (τ ) 並無法還原出光脈衝的時域強度波形 I (t ) 2 極限 (transform-limited) 的超短脈衝 (Ψ(ω) 0) 和寬頻 雜訊 (Ψ(ω) 為隨機函數 ) 儘管如此 場自相關函 且完全喪失了時域相位 (temporal phase) 甚至無法得到精確的脈衝寬度 此外測量愈窄的光 數 量測技術已被廣泛地應用在傅立葉轉換紅外光 脈衝需要使用愈薄的非線性晶體以避免群速失配問 光 譜 學 (Fourier transform infrared spectroscopy) 上 題 造成二倍頻轉換效率及量測靈敏度下降 這些 並可製作出高解析度的光譜儀 因素驅使人們持續探索更好的光脈衝量測技術 1990 年代初期開始 更複雜的光脈衝量測技術 陸續問世 其中一個代表性的方法為頻率解析光閘 (frequency-resolved optical gating 縮寫成 FROG) ( 註 三 ) FROG 是先記錄下所謂的頻譜圖 (spectrogram) 意即在不同時間延遲之下脈衝對的二倍頻頻譜 圖二 飛秒光脈衝的各種自相關函數的量測架構 BS: beam splitter. MI: Michelson interferometer. I FROG (ω,τ ) = F {a (τ )a (t - τ )} 2 (3) 再利用疊代演算法 (iterative algorithm) 設法找出包 1966 年 IBM 及 Bell Labs 同時發展出新的 強度 含強度及相位的複數包絡函數 FROG 的成功實際 自 相 關 函 數 (intensity autocorrelation function) 量 上是藉助於頻譜圖的大量多餘資訊 (data redundancy) 測技術 使人們首次有能力估計出超短光脈衝的時 和強大的電腦運算能力 逐漸修正一開始猜測的複 間寬度 ( 註二 ) 其實驗架構與 場自相關函數 量測的差別僅在於加入一顆薄的非線性晶體 以便 數包絡函數 a (t ) 使之收斂到正確的解 然而這也 代表 FROG 受到一些基本的限制 (1) 需要記錄光 產生和記錄在不同時間延遲之下的二倍頻 (second- 譜 增加了硬體架構的複雜度和成本 (2) 頻譜圖是 222 物理雙月刊32-3_ indb 222 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:23

39 超靈敏之飛秒光場量測 物理專文 (3) 疊代演算法需要的運算時間難以預期 且理論上 ψ e 2 (ω ) 為以 ω = 2π 為中心的 偶函數 但 對於 ω = 0 而言則同時包含奇 偶函數成分 利用 無法保證可以得到唯一解 (4) 一般需要使用薄的非 筆者推導出來的遞迴 (recursive) 關係式 二維函數 擷取它需要較長的時間和較多的記憶體 線性晶體 量測靈敏度低 筆者於 2004 年至 2007 年致力於發展在 FROG 架構中使用長的非週期性區 ψ (ω ) -ψ (ω - 4π ) = 2 [ψ e 2 (ω - 4π ) -ψ e1 (ω )] 則可重建出完整 ( 包含奇 偶函數成分 ) 的頻域相 域反轉鈮酸鋰 (aperiodically poled lithium niobate 縮 位函數解析解 這個方法被命名為 修正干涉場自 寫為 A-PPLN) 光波導 一舉將靈敏度的世界紀錄提 相關 (modified interferometric field autocorrelation 縮 -6 2 升五個數量級 達到 mw ( 註四 ) 綜合以 寫成 MIFA) 其核心意義在於推翻了數十年來普 上的討論可知 自相關函數只能提供不完整的脈衝 遍接受的信念 即在測量寬頻脈衝訊號時必須保留 資訊 而 FROG 則有複雜度及唯一解的問題 找出 完整的二倍頻頻譜才能避免喪失待測資訊 ( 相較之 一個簡單 靈敏 且可以提供唯一解析解 (analytical 下 厚的非線性晶體只篩選了一小部分的二倍頻頻 solution) 的飛秒脈衝量測技術因此具有重要的理論 率成分 ) 然而 MIFA 的潛力尚不只如此 筆者的團隊進一 及實用價值 筆者在 2007 年率先提出了在傳統的強度自相關函 步發現 MIFA 的干涉數據其實也能以另一遞迴關係 數量測架構中改用厚的非線性晶體時 ( 意即群速失 配已造成二倍頻脈衝的時間寬度遠大於輸入的基頻 式還原出待測脈衝的頻域強度函數 A(ω ) 實現 完整的複數包絡的解析 此外 MIFA 所需之厚的非 脈衝 ( 圖二 路徑 3) 或二倍頻訊號頻寬已遠小於 線性晶體先天上享有高轉換效率的優勢 如能搭配 基頻訊號頻寬 ) 所得到的干涉數據的修正式 進一 波導結構將光場侷限在微米級的小空間裡並傳遞數 步的研究發現 分析該修正式可以得到所謂的 修 公分的距離 則強大的非線性作用將產生可觀的二 正場自相關函數 (modified field autocorrelation func- 倍頻效率 tion) 2 圖三為我們使用史丹佛大學 Prof. Martin Fejer 團 (4) 隊提供的 5 公分長週期性區域反轉鈮酸鋰 (periodi- 與公式 (1) 相較 G1 (τ ) 的定義少了一個共軛算 符 而這個些微的差異卻使我們可以找出頻域相位 cally poled lithium niobate 縮寫為 PPLN) 光波導 ( 註 ψ (ω ) 的偶函數成分解析解 ψ e1 (ω ) = [ψ (ω ) +ψ (-ω )] 2 果之一 其中圖三 a 的紅色點線 及灰色點虛線分 G1 (τ ) a (t )a (t - τ ) 五 ) 作為厚的非線性晶體進行 MIFA 實驗所得到結 別代表在脈衝平均功率為 2.6 µw 及 1.5 nw 之下以 儘管解析出ψ e1 (ω ) 為一有趣的成果 但就脈衝量 測技術的完整性而言仍嫌不足 為了找出失落的頻 MIFA 所量到的頻域相位函數 儘管兩者功率相差超 域相位奇函數成分 筆者進一步提出在相同的實驗 仍非常接近 證實 MIFA 的確可以在極微弱的功率 架構下改變非線性晶體的溫度 以將二倍頻訊號的 下量出正確的結果 圖三 b 為使用 MIFA 量得的頻 中心角頻率由 2ω0 平移到 2(ω0 取第二筆干涉數據可得到 域相位函數ψ (ω ) 搭配由光譜分析儀量得的頻域 - 2π ) 以此所擷 ψ e 2 (ω ) = [ψ (ω ) +ψ (-ω - 4π )] 2 過 1700 倍 ( 二倍頻功率相差 3 百萬倍 ) 兩道曲線 2 A(ω ) ( 圖三 a 的實線 ) 再進行反傅立 葉轉換所得到時域強度函數 I (t ) 呈現了脈衝的精 強度函數 確波形及寬度 ( 半高全寬 374 fs) / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:24

40 5. 不必疊代演算 可快速更新量測結果 我們目前正在進行進一步的實驗以驗證 MIFA 有 能 力 量 測 <10 fs 甚 至 埃 秒 (1 attosecond=10-18 second) 等級的光脈衝 MIFA 的超高靈敏度對於高速光 通訊系統監測與探索光脈衝與電漿子的交互作用將 有獨特的優勢 後續的研究將致力於發展出足以解 析光場的空間與極化分佈的超高靈敏度量測技術 實現真正的全向量光場 e ( x, y, z, t ) 量測 最終並配 合光波合成技術探索原子尺度之電子動態的 光波 電子學 (lightwave electronics) 作 者 楊尚達 助理教授 國立清華大學電機系 光電所 備註 註一 1999 年化學獎 (femto-chemistry) 2005 年物理獎 (frequency comb) 註二 M. Maier, et. al., Intense light bursts in the stimulated Raman effect, Physical Review Letters, Vol. 17, No. 26, pp , (1966). J. A. Armstrong, Measurement of picosecond laser pulse widths, Vol. 10, No. 1, pp , (1967). 註三 R. Trebino, in Frequency-Resolved Optical Gating: The Measurement of Ultrashort Laser Pulse, 圖三 以 MIFA 技術搭配 PPLN 波導所量測到之 (a) 頻域 及 (b) 時 域光場分佈 (Kluwer Academic Publisher,Boston, MA, 2000.) 註四 S. -D. Yang, et. al., Ultra-sensitive second -harmonic generation frequency-resolved optical gating by aperiodically poled LiNbO3 waveguides at 1.5µm, Optics Letters, Vol. 30, No. 16, 這個量測結果將飛秒脈衝量測靈敏度的世界紀錄 再提升 20 倍 達到 mw2 ( 註六 ) 值得強 pp (2005). 註五 K. R. Parameswaran, et. al., Highly efficient second-harmonic generation in buried waveguides formed by annealed and reverse proton exchange in periodically poled lithium niobate, Optics 調的是 MIFA 的靈敏度突破主要來自其理論上的優 勢 ( 只需使用一小部分的二倍頻頻率成分 ) 因此它 可以使用更易於製作的 PPLN 光波導 刷新過去由 Letters, Vol. 27, No. 3, pp (2002). 註 六 S. -D. Yang, et. al., Ultra-sensitive direct-field retrieval by modified interferometric field autocorrelation, Optics Letters, Vol. 34, No. 20, pp (2009). FROG 使用 A-PPLN 光波導所締造的紀錄 MIFA 在 理論上及實用上的優勢可以總結如下 1. 可以得到複數包絡函數的解析解 2. 有世界紀錄的靈敏度 3. 只需記錄平均功率 架構簡單而經濟 4. 原始數據為一維函數 資料擷取時間短 所 需記憶體少 224 物理雙月刊32-3_ indb 224 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:25

41 超快雷射於生醫影像之應用 物理專文 超快雷射於生醫影像之應用 撰文 林伯彥 高甫仁 基於超快雷射之光源已成為光學顯微術新近發展之關鍵動力 本文旨在介紹超快雷射於 生醫影像的應用上所帶來之多樣化成像對比 如此應用除了提供更豐富的樣品資訊外 同時 實現了超高時間與空間解析能力 亦幫助我們更加了解分子層次之動力學反應過程 度決定於入射光的電場強度 此極化作用可用下式 來表示 P = ε 0 ( χ (1) E + χ (2) E 2 + χ (3) E 3 + ) 其中 ε0 為介電係數 χ(n) 為 n 階極化率 E 為電場 前言 在光強度較弱下 可忽略高階項項次 此時極化作 近二十年來因超快雷射的進展及多種光學光電技 術的引進 已使光學顯微鏡的發展與應用產生革命 用近似於線性關係 但在高強度的雷射脈衝作用下 或是介質之高階項係數較大時 非線性的極化現象 性的變化 顯微鏡組成大致可區分成三個部分 光 便不可忽略 常見的二倍頻 second harmonic gen- 源 雷射 LED 汞燈等 成像元件 物鏡 透鏡 eration, SHG 係透過電場與二階項極化率作用後 及偵測器部分 CCD APD PMT 等 隨著這些 χ (n ) E 2 產生倍頻光 即波長為原入射光之一半 技術不斷地提升與改進 已使現代顯微鏡的應用更 倍頻現象主要由光與物質交互作用所產生的非線性 加廣泛與多樣 超快雷射通常指脈衝寬度 pulse du- 極化現象導致 並無涉及電子能階的躍遷 若光與 ration 小於皮秒 秒 的脈衝雷射 目前被廣 物質非線性交互作用引發電子能階躍遷 則能產生 泛應用的超快雷射為鈦藍寶石鎖模雷射 Ti:Sapphire mode-lock laser 及相關延伸技術 波長範圍從 700 nm 至 900 nm 其脈衝寬度約為 100 飛秒 秒 重覆頻率 repetition rate 約為 80 MHz 尖峰功率 peak power 可達 10 KW 以上 就其脈衝寬度 螢光或磷光 這過程為多光子激發 早於 1931 時 Maria Gopper-Mayer 已提出雙光子激發 two-photon excitation, TPE 的可行性 [1] 電子透過同時吸收二 個能量較低的光子躍遷到激發態 excited state 而後放出光子回到基態 ground state 所放出光 圖一 二倍頻與雙光子激發能階示意圖 能量及運作穩定度而言 已足以讓超快雷射引發之 非線性光學效應能順利應用於顯微技術上 開啟了 極多樣性的應用 非線性光學於光學顯微術之應用 光與介質交互作用時 會對介質產生極化 其強 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:26

42 子能量為能階差所造成 同時所產生的螢光強度與 入射光強度平方成正比 其能階躍遷示意圖如圖一 因 SHG 與 TPE 均經由光與物質之非線性的交互 作用產生 因此需要足夠的光子密度才能產生 超快雷射主要貢獻在於提供實現這些非線性光學 現象所需之強大電場 或極高之瞬間光子密度 同時 經由超快雷射產生的非線性效應亦可延展雷 圖二 超快雷射與非線性光學於光學顯微術之應用 射光譜的範圍 例如 以鈦藍寶石鎖模雷射激發光 散射 因此具有較深的影像穿透深度 penetration 參數震盪器 Optical Parametric Oscillator, OPO 裡 depth 在雙光子顯微術裡是偵測樣品產生的螢光 的非線性晶體 如 KTP PPLN LBO 等 經參 訊號 自發螢光或透過螢光標定 因此會產生光 數效應 parametric process 產生二道波長較長的光 漂白和光損壞 photobleach and photodamage 的問 源 分別稱為 signal 和 idler 若再經倍頻用即可得 題 而倍頻訊號 因不涉及能階躍遷則避免了光漂 到可見光範圍之脈衝光源 對於生醫影像上的應用 白等問題 可提供更為寬廣的雷射光譜範圍並拓展其應用性 倍頻顯微術之應用實例如圖三所示 樣品為牙 藉由超快雷射產生之非線性光學效應 已為光學顯 齒切片 膠原蛋白為許多生物組織內的重要成份 微術帶來極多樣的顯微對比 圖三 牙齒組織之倍頻影像 [6] 二倍頻及三倍頻 除了應用於短波長光源的產生上 因樣品本身 特性所產生的非線性效應亦可做為顯微術上訊號之 來源 倍頻效應中的二倍頻現象一般發生在非中心 對 稱 的 結 構 上 而 三 倍 頻 third harmonic generation, THG 則常發生於介質界面處 interface [25] 因此 結合雷射掃描顯微技術偵測在樣品上所 同時也是極佳之二倍頻訊號來源 牙齒組織裡膠原 產生的倍頻訊號 可用於觀察其結構之特徵 如排 蛋白主要分佈在象牙質 dentin 部分 而琺瑯質 列方向等 利用這類對比之成像稱為倍頻顯微術 enamel 大部分則由礦物質組成 在二倍頻影像 harmonic microscopy 另外 非線性效應的產 上所觀察的影像 反映膠原蛋白的分佈情形並只 生 需要足夠的光子密度 因此只有焦點附近可滿 出現在象牙質部分 從三倍頻訊號的影像上 可 足此條件 因而在成像上具有光學切片能力 optical 觀察到一些管狀結構 稱為象牙質細管 dentinal sectioning 即不需透過針孔之空間濾波便具有與 tubule 這些結構由牙髓向琺瑯質方向呈放射狀排 共焦顯微術一樣的三維成像能力 雙光子激發螢光 列 顯微術 two-photon excitation fluorescence microscopy 與倍頻顯微術一樣 同具有光學切片能力 op- CARS 顯微術 tical sectioning 因此能減少對非焦平面上的樣品 近年來 先進光學顯微術對於光源的要求益形 不必要之激發與損害 相較於單光子激發 多光子 複雜 單一波長雷射已不足以應付新興顯微術的 激發因為使用較長波長 即較低之 Rayleigh 與 Mie 226 物理雙月刊32-3_ indb 226 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:28

43 超快雷射於生醫影像之應用 物理專文 技 術 需 求 如 CARS 顯 微 術 與 受 激 放 射 耗 乏 顯 微 的光譜分佈已可從 600 nm 延展至 1200nm 左右 圖 術 Stimulated emission depletion microscopy, STED 四 (B) 最近 我們已成功地將此連續光源應用 microscopy [7] 即需要二種波長的雷射幾乎同時作 於 同調反史托克拉曼散射 Coherent anti-stokes 用於樣品上 以取得分子振動光譜對比與超高空間 Raman scattering microscopy, CARS microscopy 顯 解析的螢光影像 因此 使用具更寬廣光譜的雷射 微術上 CARS 訊號 (ωcars) 是藉由光與物質非線性作 極有利於拓展下一世代顯微術相關應用與發展 用 χ (3) 項 而產生 其影像則透過偵測 四波混頻 four-wave maxing 所產生的光學訊號來成像 並 超快雷射的另一項功用即為產生超連續光譜 Su圖四 A 超連續光譜光源產生架構示意圖 B 不同入射強度所產生之超連續光譜圖 滿足 ωcars = ωpump +ωprobe -ωstoke 關係 其作用能階如 圖五所示 CARS 訊號來自分子的振動能階 因此具有分子 鑑別力 即所呈現的影像具有化學特徵 [9] 在系統 圖五 CARS 能階示意圖 架設上 因為 pump 與 probe beam 可為相同波長 因此只需要將二道 pump and Stokes beams 頻率差 percontinnum 之極寬頻雷射光源 超連續光譜的產 恰為分子振動能階且同調性高的雷射光同時聚焦在 生可藉由光與介質的非線性效應來達成 如自我相 樣品上 便能產生 CARS 訊號 圖六 A 為 Huh 7 位 調 制 self-phase modulation 色 散 效 應 chro- 細胞的 CARS 影像 細胞裡脂質球 lipid drops 富 matic dispersion 及拉曼效應 Raman self-frequency 含 C-H 鍵 拉曼位移在 2880 cm-1 其 CARS 訊號約 shift 等 [8] 在實驗室裡 我們將波長 810 nm 的 為 656 nm 我們便利用此訊號觀察細胞裡脂質球的 超快雷射脈衝導入光子晶體光纖 photonic crystal 分佈情形 由於使用光源為脈衝雷射 因此可與螢 fiber, PCF 經由非線性效應可得到超連續光譜的 光生命期顯微術 FLIM 技術結合 同時擷取具螢 光源 如圖四 A 所示 波長 810 nm 的雷射光通 光生命期與分子指紋特徵之影像 過 PCF 後 其光譜會隨入射光強度改變而有不同之 如圖六 B 所示 我們將 Di-O 及 Hoescht 二種 展延 如入射光在 90 mw 平均功率下 通過 PCF 染料分別染在 Huh 7 細胞的內質網及細胞核上 這 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:29

44 二種染料分子放射光譜 emission spectrum 大部分 雙光子螢光生命期顯微術 2-p FLIM 讓我們能透 重疊 因此難以從光譜上區分 但其螢光生命期不 過時域上的測量去了解分子層次的動力學反應 在 同 Di-O 及 Hoescht 分別約 1 ns 及 1.6 ns 透過 2-p 下列之例子 我們利用雙光子效應激發 NADH 分子 FLIM 可清楚地從其螢光生命期的不同辨別其所標定 的自發螢光 並觀察其螢光生命期分佈比例的變化 之結構 在 2-p FLIM 與 CARS 結合的顯微系統裡 NADH 為參與代謝反應 metabolism 的重要分子 pump beam 除了為雙光子激發的光源外 與 Stokes beam 的結合並能做為產生 CARS 訊號的觸發光源 在二道超快雷射脈衝作用下 可同時觸發各種 圖六 A Huh 7 細胞 CARS 影像 B 經 Di-O 及 Hoescht 染色之 Huh 7 細胞 FLIM 影像 的 非 線 性 效 應 如 合 頻 sum frequency generation, SFG 及 CARS 訊號 如圖七所示 當使用波長 810 nm 及 1056 nm 二道脈衝雷射聚焦於油脂與 KDP 倍 頻晶體 混合的樣品時 測量其光譜圖可發現圖中 出 現 三 條 明 顯 譜 線 分 別 位 於 405 nm 454nm 及 656 nm 405 nm 譜線來自 pump beam 810nm 之 倍頻訊號 454 nm 譜線為 pump beam 810nm 與 stokes beam 1056 nm 之合頻訊號 656 nm 譜線 則為油脂之 CARS 訊號 這些非線性光學訊號產生 的機制不同 因此可提供各種成像對比之來源 超 快雷射對於開拓顯微術裡多樣性之成像對比 其重 與束縛態二種 束縛態表示 NADH 出現在代謝反應 中與其他分子形成複合物 此時螢光生命期較長 約 2.5~3 ns 而處於自由態時則未參與這些反應 其螢光生命期較短 約 0.3~0.7 ns 因此 可藉由觀 察 NADH 螢光生命期變化來評估細胞的代謝狀態 在計算 NADH 螢光生命期時 使用雙指數遞減模型 double-exponential decay 來描述螢光衰減過程 F (t ) = a1e -t τ1 + a2 e -t τ 2 時間解析顯微術 - t / t1 超快雷射之超短脈衝亦同時提供極高的時間解析 能力 結合時間相關單光子計數偵測系統 timecorrelation single photon counting, TCSPC 所發展的 物理雙月刊32-3_ indb 228 其螢光生命期依參與過程而展現不同 分為自由態 如方程式 1 要性由此可見一斑 228 圖七 Pump and Stokes beams 激發油脂及 KDP 粉末 混合物產生非線性光學訊號光譜圖 雙月刊 (1) -t/ t2 與a2 其中 a1e 分別代表 NADH 二個不同 螢光生命期的貢獻 τ1 和 τ2 為所對應的螢光生命期 a1和a2 為相對振幅 如圖八所示 我們可以發現在集群 colony 中 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:31

45 超快雷射於生醫影像之應用 心與邊緣區域的細胞 表現出不同的 a1和a2 自由 態 束縛態 分佈的比值 在集群邊緣的細胞比中 物理專文 STED 顯微術架設需要二道高同調性的雷射光 如圖九所示 其中一道雷射用於激發螢光分子 另 一道雷射 稱為 STED beam 隨後照射於樣品上 心區域的細胞呈現出較高 a1 / a2 數值 3.59± ±0.14 這顯示細胞在邊緣區域的代謝反應活 使處於激發態之分子產生受激放射 透過濾片即可 性較低 中心區域的代謝活性較高 因此 細胞的 區分出螢光及受激放射的訊號 為了得到均勻對稱 代謝反應可能不僅受氧氣不足所影響 在指數成長 的點擴散函數 STED beam 經調制後 形成環狀強 階段細胞數目急速增加時 細胞週期的不同階段 度分佈並與激發光點重疊 cell cycle stage 亦可能是造成 α1/α2 減少的主要 原因 也就是代謝反應可能會受細胞的形貌 mor- 圖九 STED-FLIM 架設示意圖 phology 與細胞骨架成長狀態所影響 [10,11] 圖八 集群中央與邊緣區域 NADH 自由與束縛態 α1/α2 比例對照圖 [11] 比例尺為 100µm 在二道雷射作用下 僅允許 STED beam 中心區域 產生螢光 原激發雷射焦點外圍的處於激發態之螢 超快雷射於光學顯微術之新近應用 光分子 均經由受激放射將能量釋出並回到基態 超解析光學顯微術 同時 因為受激放射效率與光強度成正比 所以只 除了增加影像對比的多樣性外 在提升遠場光學 顯微鏡之空間解析度上 超快雷射亦同樣扮演重要 角色 受激放射耗乏顯微術的概念於 1994 年由 Stefan Hell 提出 並於 1999 年由實驗証實 [7,12] 以雷 射掃描共焦顯微鏡為例 其解析度約為所聚焦之光 點大小 在繞射限制下 光點直徑約為半波長 200 nm 左右 即在此範圍內之螢光分子 均會受 到入射光所激發 STED 顯微術的主要原理則是透 過受激放射 stimulated emission 的方法 迫使激 發態的電子產生受激放射 因此可限制產生螢光的 範圍 如此一來 產生螢光訊號的區域 便能遠小 於受繞射限制之聚焦光點的大小 要提高 STED beam 的強度 未受受激放射耗乏作用 之螢光範圍就愈小 得到的解析度就愈高 在波長 選擇上 STED beam 的波長設定在螢光分子放射光 譜能量較低的紅移端 red shift 以避免二次激發 本實驗室所完成的具時間解析 STED 顯微系統 係利用波長 635 nm 二極體脈衝雷射作為激發光 源 鈦 藍 寶 石 鎖 模雷 射 為 STED beam 波 長 設 為 735 nm 波長選擇則為符合使用螢光奈米球樣品 之激發及發射光譜 樣品為 Crimson 螢光球 直徑 約 20 nm 二道雷射間經由電子觸發方式調整其 脈衝時間差 以達最佳受激放射效率 訊號收集係 透過 TCSPC 時間解析偵測系統 STED 顯微術亦可 由連續波光源實現 [13] 但結合超快雷射為光源之 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:32

46 STED 顯微術具有時間解析能力 能提供更多樣品 受激放射顯微術 [14] 亦可藉由超快雷射的應用實 資訊及應用 現 圖 十 A 為 一 般 FLIM 影 像 B 為 超 解 析 STED-FLIM 影像 掃瞄方向由左至右 FLIM 影像 受激放射顯微術與 STED 顯微術一樣需要二道不 圖十一 螢光分子能階示意圖 解析度約為 300 nm 當 STED beam 打開後解析度增 加至 100 nm 左右 由於所收集光子仍為螢光訊號 因此二張影像呈現相同的螢光生命期 約 4 ns 但解析度則提升三倍左右 圖十 Crimson 螢光奈米球 A FLIM 及 B STED-FLIM 影像 比例尺為 1µm 同波長的雷射作用於樣品上 激發光束與受激放射 光束 STED beam 實驗上要直接測量螢光分子 產生受激放射後產生的光子非常困難 因此在測量 上需結合鎖相放大器 lock-in amplifier 來偵測受 激放射的光子 在 STED 顯微術裡 STED beam 是用 來限制螢光躍遷的範圍 以達超解析成像能力 在 受激放射顯微術裡 STED beam 則扮演讀取訊號的角 色 讀取原本難以偵測的螢光分子的資訊 雷射於光學顯微術之新近應用 未來發展 螢光分子被激發後 如圖十一所示 處於激發態 的電子可透自發發射 spontaneous emission 受 激放射 非輻射方式 如 thermal relaxation 及共 振能量轉移 resonance energy transfer 等方式將能 量釋發出來並回到基態 若一螢光分子的自發放射 為能量釋於的主要途徑 kr >> knr 代表其量子效 率 quantum efficiency 愈高 即愈容易偵測到螢光 訊號 若螢光分子能量釋放途徑是以非輻射方式為 主 knr >> kr 則較不易產生螢光 因此不容易偵 測 生物體內自發螢光分子通常難以偵測 即因其 量子效率較低 然而 透過受激放射與非輻射方式 的競爭 我們仍可觀察到這些原本難以偵測的螢光 分子的資訊 由受激放射所衍生的成像模式 稱為 230 物理雙月刊32-3_ indb 230 雙月刊 目前應用在顯微術上的超快雷射主要以固態雷射 較為常見 ( 如以 Ti:Sapphire 和 Nd:YAG 為基礎的超 快雷射 ) 其優點在於能提供較為穩定的效能表現及 長時間的運作 然而 這類型的超快雷射通常需要 消耗較多功率及較嚴格的環境要求 如溼度及溫度 等 因此在維護及使用上較為繁瑣 最 近 以 摻 稀 土 族 元 素 光 纖 rare-earth-dope fiber 作為增益介質所發展的鎖模光纖雷射 modelocked fiber laser 則可提供較為彈性及便利的操作 環境 摻稀土族元素光纖因具備足夠增益頻 broad gain bandwidth 及良好的光束品質 同時具有較佳 的散熱效率 使其在脈衝能量 脈衝寬度及平均輸 出功率上的表現得以大幅超越傳統鎖模雷射 [15] 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:34

47 超快雷射於生醫影像之應用 物理專文 目前商用鎖模光纖雷射主要以雷射二極體作為激發 超快雷射對光學顯微術的發展與應用已產生極大 源 在成本與性能上極具競爭優勢 同時 結合光 的影響 透過光與物質作用的非線性效應 使得生 子晶體光纖帶來的非線性效應 產生超連續波長範 物組織內許多特定的分子及結構得以呈現 超短脈 圍的光源 使得鎖模光纖雷射將成為未來顯微鏡乃 衝的時域特性 亦使我們能藉由時析量測探討微觀 至生醫應用的主要光源之一 尺度下之分子動力學 隨著新穎之超快光源的開發 超快雷射的使用將更加普及與深入 特別是對生物 組織的觀測 這些進展將極有利於超快雷射在醫療 影像與感測的應用與開發 使其成為研究與臨床上 結語 的重要工具 作 者 高甫仁 現為國立陽明大學生醫光電所 教授兼所長與副研發長 林伯彥 國立陽明大學生醫光電所 博士班研究生 參 考 文 獻 [1] M. Goppert-Mayer, Ann. Phys., 9, 273 (1931) [2] G. Peleg, A. Lewis, M. Linial, and L. M. Loew, Proc. Natl. Acad. Sci. 96, 6700 (1999). [3] J. Squier, M. Muller, G. Brakenhoff, K.R. Wilson, Opt. Express, 3, 315 (1998) [4] T. Y. F. Tsang, Phys. Rev. A 52, 4116 (1995) [5] S.-W. Chu, I-H. Chen, T.-M. Liu, P. C. Cheng, C.-K. Sun, and B.-L. Lin, Optics Letters, 26, 1909 (2001) [6] F. J. Kao, Microsc. Res. Tech. 63, 175 (2004) [7] S. W. Hell and J. Wichmann. Opt. Lett. 19, 780 (1994) [8] R. R. Alfano, The Supercontinuum Laser Source: Fundamentals with Updated References, 2nd ed, Springer, (2006) [9] C. L. Evans and X. Sunney Xie, Annu. Rev. Anal. Chem., 1, 883 (2008). [10] R. R. Duncan, A.Bergmann, M. A. Cousin, D. K. Apps, and M. J.Shipston, J. Microsc., 215, 1 (2004) [11] V. V. Ghukasyan and F. J. Kao, J. Phys. Chem. C.113, (2009) [12] T. A. Klar and S. W. Hell, Opt. Lett. 24, 954. (1999) [13] K. I. Willig, B. Harke, R. Medda, S. W. Hell, Nature Meth. 4 (11), (2007) [14] W. Min, S. Lu, S. Chong, R. Roy, G. R. Holtom and X. S. Xie, Nature, 461, 1105 (2009) [15] A. Tunnermann, T. Schreiber, F. Roser, A. Liem, S. Hofer, H. Zellmer, S. Holte and J. Limpert, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 38, S681 (2005) / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:35

48 科學家的生活隨想 撰文 林秀豪 幸 福 撰文 林秀豪 週末的下午 陽光一派悠閒地撒在全身上 我 從家裡走下來 越過空蕩蕩的馬路 到對面的 7-11 取高鐵票 趕著有優惠的日子 我拎著兩瓶綠茶回 家 老婆看到笑著說 什麼時候你也會注意到這些 了 我回她一句 還不是因為跟妳生活在一起太 久了 妳看看 去程與回程我還分開買 所以一次 送兩瓶 幸福輕悄悄地在身邊待著 有時也會似一陣煙 溜走 最近我父親與岳父相繼中風 打亂家庭生活 的秩序 從急診室等到有床位 在人來人往的醫院 裡 除了照顧病人外 就是一連串漫長的等待 生 病的人不安 守候在旁的也不安 雖說隨著年華老 去 身體難免要出狀況 但一下子失去半側的行動 能力 上個廁所要勞師動眾 連下個床都是天大的 工程 尊嚴與隱私一下子都沒了 難怪醫師對中風 後的病人 都會開出抗憂鬱症的藥 為了安撫 勸導 老人家的心情 我會將中 風的原因 病況與後續的復健 詳詳細細的說明清 楚 來來回回說了幾次 心裡不禁感慨 人類真是 視覺系的動物 這麼說好了 你曾聽說誰會放著皮 膚上的傷口 十幾二十年不管嗎 想必看著看著就 232 物理雙月刊32-3_ indb 232 雙月刊 會受不了 總會去看個醫生 照顧一下吧 可是我 們卻可以整天吃進一堆不健康的食物 長年累月地 慢性自殺 設想我們的肌肉 血管是透明的 當你 吃下一整包的鹽酥雞後 低下頭來 就可以看見血 液慢慢變得黏膩 心臟卡撲卡撲吃力地跳著 一個 不留神 血管壁上的陳年汙垢掉一推 變成一個個 不定時炸彈 在全身遊走 塞到心臟 哎呀 就是 心肌梗塞 跑到大腦塞住 就變成了腦中風 如果 我們可以看見 難道依舊大吃大喝 眼睜睜看著自 己的血管 慢慢地塞住了都不管 看不見自己的五 腑六臟 真是演化的敗筆啊 幸福原本是很簡單的 如果你可以看見 記得剛結婚時 我還在讀博士 日子忙得眼花 繚亂 有時燕子提議出去走走 我就跟她說 等 這個研究計畫結束 有空檔就一起出去渡假 好 嗎 可惜這麼好的伎倆 沒兩三次就被我聰明的 老婆看穿了 一個計畫剛完成 另一個計畫就進行 到一半 哪裡有所謂 計畫結束後的空檔 呢 有 一天回家吃晚飯時 我又使出這個很沒創意的伎倆 她瞪大雙眼 輕輕柔柔看著我說 為什麼一直叫 你生命中最重要的人等呢 我看著她的眼睛 突 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:36

49 幸福 然就懂了 人生並不是很抽象的東西 你過的每一 天 每一分每一秒 就是你的人生 重要的時光 要和重要的人一起創造 我們總是不好意思地 去在意完全毋需在意的 人事物 我們大部份的人 花了太多的時間 去接 待人生中短暫的過客 而讓我們心愛的人空等 有 時想起來會偷笑 十年不算是人生短短的一瞥 但 是還不足以認識我在清華的同事們 我這麼推測著 就算是再過個十年二十年 等我都要退休了 不熟 的人還是不熟吧 所以在系上遊走的頂等尷尬 就 是在電梯裡碰到不熟的同事 如果只是談天氣 也 太沒這般不熟 談點人生的正經事 哇哇 又沒那 麼熟 想問問小孩的近況 可是彷彿好像依稀問過 了 而且又忘了答案 這就是電梯裡 為什麼一定 要貼一堆演講公告啊 記得剛到系上時 有位資深的教授勉勵我努力 工作 他眼神眺望著遙遠的未來 希望日後系館在 靜靜的晚上 燈火通明 塞滿了宵旰勤勞的研究學 者 他看到的是振作 我看到的是 如果他們都不 回家 家庭生活不是很悲慘嗎 有時我深深的覺得 台灣真是一個沒有質感的社會 從小到大 我身邊 永遠不缺要我努力的長輩們 要奮鬥 要成功 要 出人頭地 要出國比賽拿冠軍 要變成台灣之光 奇怪 幸幸福福地活著 難道就不重要嗎 怎麼沒 有睿智的長者 拎著長長的鬍子 告訴我一定要幸 福呢 我小時候家境不好 一家四口蝸居在人家的閣 樓上 不過 我可沒像美麗的郝思嘉一般 緊緊握 住拳頭 對著天空吶喊 我一輩子再也不要餓到 自己 相反地 我發現原來沒錢就是這回事 只 要健康 還是可以做自己想做的事 還是可以在陽 光下 看到別人 看到認真活著的萬物 而且這時 看到的自己 可能還比較接近真實的版本 生活隨想 己 也好好照顧自己所愛的人 大家的幸福指數應 該很高吧 誠如最近在報上讀到 社會整體為一個 陳進興所付出的代價 等同十個傑出的專業人才所 帶來的助益 當教育部官員 夸言多元入學時 我 不禁要問 我們的教育制度給愛唱歌 愛運動的小 孩什麼樣的鼓勵 許他們什麼樣的未來 那些默默 做事 負責認真的小幫手 我們的教育制度到底幫 了什麼忙 一個理想的教育制度 應該鼓勵小孩關 愛周遭的人 適情適性地發展自己的才能 而不是 把所有的資源與光環 都浪費在考試成績優良的小 書呆上 學生最近邀我參加謝師宴 我拒絕了 為什麼 一定要用大吃大喝 殘害彼此健康 養成不良的飲 食習慣 才能夠展現彼此的心意呢 何況我也不喜 歡尚未有經濟基礎的學生 設宴設在高級的大飯店 裡 如果要留下雋永的回憶 找個可以聚在一起的 場地 不失溫馨 而且可以靜靜地交談 應該可以 有更多心靈 上的交流吧 經歷過父親與岳父中風 後 我更加覺得台灣的飲食文化 被看得太重 也 十分不健康 年輕的身體 有本錢沖刷掉不良飲食 習慣的殘害 但等到漸漸老了 就是四十歲啦 不良的飲食習慣若還留著 就會慢慢侵蝕身體的健 康 有些鐵齒的朋友會嗆 沒關係啦 頂多少活 幾年爾爾 但悲慘的事實往往是 命還在 居然 也死不了 就臥病在床 臥到自己和親人都快瘋了 多慘 留點時間給自己與親人 平時多動動懶骨頭 心情悠閒就喝個茶 不得悠閒就去睡覺 然後盡量 在同事面前裝忙 最後 祝大家健康 祝大家幸福 作 者 林秀豪 清華大學物理系教授 大部份的小孩 真的是被嚇到大的 父母一昧 地希望 孩子人生的安全係數愈高愈好 誠然 經 濟穩定的生活是舒服 但生命就走這一遭 難道不 能稍稍有點質感 去實踐一下自己渺小的存在嗎 其實大部份的人生 並沒有那麼不幸 也不必如此 恓恓惶惶過日子 如果社會上每個人 找到可以投 注熱情的工作 專心而不卑不亢地努力 照顧好自 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:37

50 1824 年 6 月 12 日 卡諾 Sadi Carnot 發表熱機的專文 譯 蕭如珀 楊信男 譯自 APS News 2009 年 6 月 我們都接受熱力學第二 畢 業 後 就 在 拿 破 崙 於 定律是現代物理學最基本的原 1815 年 被 放 逐 後 又 短 暫 回 國 則之一 但直至最近 19 世紀 前 卡 諾 在 梅 斯 市 Metz 初為止 卻尚未有人以精密的 讀了兩年的軍事工程課程 當 物理術語系統地說明熱力學定 拿破崙在 1815 年 10 月被打敗 律 熱力學定律解說的過程是 後 卡諾的父親就被放逐到德 由一個當時鮮為人知的法國物 國 從此再也沒回到法國 年 理學家卡諾 Sadi Carnot 所 輕的卡諾對於他原先軍旅生涯 開始的 的前景很不滿意 因此最終選 卡 諾 出 生 於 1796 年 擇加入了巴黎的參謀部隊 並 是一個叫做拉薩合 卡諾 另外追求他的學術興趣 Lazare Carnot 的法國貴族 1821 年 他 到 德 國 拜 訪 卡諾 Sadi Carnot 之子 他的父親是拿破崙慘遭 挫敗前法國最有權力的人士之 被放逐的父親和哥哥希伯里特 Hippolyte 在那裡和他們 一 所以家族的財富在年輕卡諾的一生中隨著拿破 兩人曾多次討論蒸汽機 當時蒸汽動力已經被用在 崙君主政權的興衰而大起大落 卡諾取名自波斯的 礦區排水 冶鐵 磨麵粉 織布等 但法國設計的 詩人薩迪 Sadi of Shiraz 在父親嚴格的管教下學 引擎不若英國的有效 卡諾深信英國在這方面的優 習數學 科學 語言和音樂 他 16 歲進入巴黎綜合 異科技導致拿破崙的垮台 以及他們家族聲望和財 理工學院 École Polytechnique 就讀 受教於包括 富的損失 所以他傾全力發展健全的蒸汽機理論 納 維 Claude-Louis Navier 帕 松 Siméon Denis 雖然蒸汽機在當時已發展得頗成功 但那些早 Poisson 和安培 André-Marie Ampère 等的門下 期引擎的效率卻低到只有 3% 工程師很努力地使用 其他的機械方法和燃料做實驗 以求改進其效率 234 物理雙月刊32-3_ indb 234 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:39

51 卡諾 Sadi Carnot 發表熱機的專文 本月物理史 不過 說明引擎運作的科學原理一直都很少 能量 的物質 熱量多寡只被它相關物體的溫度所決定 不滅的原理才剛被提出 且在當時科學家間仍頗有 總之 就是熱量的轉移 換句話說 卡諾機 爭議性 距離熱功當量 譯者註 熱功當量是指熱 Carnot engine 的效率只取決於引擎內部的溫差而 量的單位 卡 與機械功的單位 焦耳 之間的轉 已 換關係 的發現還有 20 年 當卡諾開始他的研究 當 火的原動力之思考 最先發表時 並未引 時 他和他的同儕都贊同卡路里理論 即假設熱量 起大家的注意 直至巴黎於 1832 年爆發了霍亂 死 是一無重量 看不見的流體 當處於不平衡狀態時 傷無數 卡諾亦遭受感染而終於在 36 歲病死的幾年 就會流動 後 此篇論文才開始受到了重視 不過 當時為了 卡諾的父親於 1823 年去世 那一年 卡諾寫了 一篇論文 試著找出 1 公斤的蒸汽可做的功之數學 防止疫情進一步的擴大 他大多數的隨身物品和作 品都和他一起埋葬 表示方式 但從未發表 事實上 此論文的原稿一 據他同時代人的描述 卡諾 敏感且敏銳 直到 1966 年才被人發現 那時他研究了有關當時蒸 但卻 內向 又 冷漠 他至少超越他的時代 20 汽機的兩個基本問題 1 熱的功率是否有上限 年 短期內而言 他的研究並未能立即幫助開發出 2 是否有比蒸汽更好的燃料 可以產生那種功率 更有效率的蒸汽機 或任何其他實際的應用 但他 1824 年 他 發 表 了 火 的 原 動 力 之 思 考 精確地界定了物理的範圍 幫助克勞修斯 Rudolf 描述在理論上可以讓加入系統內定量的熱量產生最 Clausius 和 湯 姆 森 William Thomson Lord Kel- 大機械功之 熱機 卡諾將他認為蒸汽機若要成 vin 藉由他的研究於 1840 和 1850 年代建立起現代 為理想的理論模型 其中的關鍵要素勾勒出來 所 熱力學的基礎 就此而論 他的貢獻是很深遠的 謂的 卡諾循環 透過 熱 庫和 冷 庫的溫度 差取得能量 雖然這只是一個理論上的構造 但後 來在同一世紀 卡諾的概念激勵了狄塞爾 Rudolf Diesel 設計出一個將 熱 庫的溫度提高很多的 引擎 大幅提高其效率 卡諾從無數的試驗中知道 他的設計在實際操 作時總會因摩擦 噪音和震動等各種因素而耗損少 許的能量 他知道為了讓熱機達到最大的效率 必 須將處於不同溫度物體間之熱傳導所產生的熱耗損 降至最低 他也知道沒有一部實際的熱機可以達到 那理想的效率 就此來說 他已很接近發現熱力學 第二定律了 至於是哪一種物質可以產生最大量的功這個 問題 卡諾參與了比較空氣和水蒸汽以做為他所稱 的 工作流體 優劣的討論 但得到的結論是 理 想熱機的最大效率與所使用的工作流體無關 正如 他所說的 熱的原動力是獨立於用來轉換成動力 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:40

52 1932 年 5 月 查兌克 James Chadwick 描述中子的發現 譯 蕭如珀 楊信男 譯自 APS News 2007 年 5 月 直至 1920 年時 物理學家 彼此講課 還設法說服守衛讓 都知道原子大部分的質量位於 他們設立一個小實驗室 雖然 其中心的原子核中 而這個中 有許多化學物品很難取得 但 心核中含有質子 1932 年 5 月 查兌克還是在當時的德國市場 查 兌 克 James Chadwick 宣 找到了一種放射性牙膏 並說 布原子核中還有一個新的 不 服守衛提供讓他使用 此外 帶電的粒子 他稱之為中子 他利用一些錫箔和木頭製造了 查兌克於 1891 年出生在 一個驗電器 做了一些簡單的 英國曼徹斯特的一個勞工階級 實驗 家庭 他是一個害羞的小孩 戰爭結束後 查兌克回到 但他的聰明才智引起了老師的 注意 所以被送到曼徹斯特大 查兌克 James Chadwick 學攻讀物理 他在那裡和拉塞 了 英 國 於 1921 年 在 劍 橋 完 成了他的博士學位 指導教授 是當時劍橋大學卡文迪西實驗 福 Ernest Rutherford 年 獲 得 諾 室主任拉塞福 所以查兌克得以繼續從事放射性研 貝爾化學獎 一起研究各種不同的放射線 究 使用的設備比錫箔和牙膏精密許多 1923 年 1914 年 查兌克決定到德國和蓋革 Hans Gei- 查兌克被任命為卡文迪西實驗室的助理主任 ger 一起做研究 但很不幸地 在他抵達後不久就 拉塞福於 1911 年發現了原子核 並於 1919 年 爆發了第一次世界大戰 結果查兌克就在那裡的一 觀測到質子 然而 原子核中除了質子外 似乎還 個戰俘營度過了 4 年 但這並未完全終止他的科學 應該有其他的東西 例如 已知氦的原子序為 2 研究 為了避免無聊 他和幾個戰俘組成了科學社 但質量數卻是 4 有一些科學家認為在原子核中還 236 物理雙月刊32-3_ indb 236 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:42

53 查兌克 James Chadwick 描述中子的發現 本月物理史 有額外的質子 以及數目相同的電子 以中和多出 論文中他指出 實驗的證據顯示這個神秘射線的正 來的電荷 1920 年 拉塞福提議說 一個電子和一 確解釋應該是中子 而不是 γ 射線光子 幾個月後 個質子應該可以形成一個新的 中性的粒子 但是 在 1932 年 5 月 查兌克又送出了更確定的論文 標 此說法沒有真正的證據 而且所提出的中性粒子也 題為 中子的存在 到了 1934 年 這個新發現的中子是一個基本粒 很難去偵測出來 查兌克持續做其他的研究計畫 但仍繼續思 考此問題 1930 年左右 包括德國物理學家博特 子的事實已得到了確認 它並非如拉塞福原先所提 出的是由質子和電子的結合而成 Walter Bothe 1954 年獲得諾貝爾獎 和他的學生 中子的發現很快地改變了科學家對原子的看 貝克 H. Becker 在內的幾個研究員都已開始使用 法 而查兌克也因此發現於 1935 年獲得諾貝爾獎 從釙得到的 α 粒子撞擊鈹 然後研究鈹因此所產生 科學家很快地又知道這個新發現的中子是個不帶 的放射線 有的物理學家認為鈹所放射出 具有高 電 但相當重的粒子 可用來偵測其他的原子核 度穿透性的這種放射線 是由高能量的質子所組成 之後沒多久 科學家就發現以中子撞擊鈾會導致鈾 但查兌克注意到此放射線的幾個奇特性質 因此開 原子核的分裂 而放射出巨大的能量 可用以製造 始認為它可能就像拉塞福所曾提議過的 是由中性 核武器 查兌克發現了中子為原子彈鋪了路 他並 粒子所組成 實際參與第二次世界大戰期間的曼哈頓計畫 他於 有一個實驗特別引起了他的注意 伊倫和弗雷 1974 年逝世 德 里 克 約 里 奧 - 居 里 Frédéric and Irène JoliotCurie 居里夫人的大女兒和女婿 曾經研究由鈹撞 擊石蠟所產生的放射線 但當時無法確認其本質 他們發現該放射線另將靶內氫原子的質子撞開 而 那些質子又以極高速度反衝出去 約里奧 - 居里相信 撞擊石蠟靶的放射線一定 作 者 蕭如珀 自由業 楊信男 台灣大學物理系 snyang@phys.ntu.edu.tw 是高能量的伽瑪光子 γ 但是查兌克卻認為這 種解釋並不合適 查兌克推斷 光子沒有質量 不 會將靶中重如質子的粒子撞開出來 1932 年 他自 己嘗試做了相類似的實驗 因此確信鈹所放射出的 放射線事實上是一個中性的粒子 質量大約相當於 一個質子 除了石蠟外 他還試著用其他的靶 包 括氦 氮和鋰 這有助於他確立新粒子的質量只比 質子的質量多一點點 查兌克還注意到 因為中子未帶電荷 所以它 們可以穿透進靶內的程度遠比質子深得多 在做過僅僅兩週的實驗後 查兌克於 1932 年 2 月發表了一篇論文 標題為 中子可能存在 在 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:43

54 哈 柏 太 空 望 遠 鏡 利 用 弱 重 力 透 鏡 效 應 確 認 宇 宙 膨 脹 正 加 速 想 要 更 多 有 關 宇 宙 正 在 加 速 膨 脹 的 證 據 嗎? 靠 哈 伯 太 空 望 遠 鏡 就 對 了! 圖 : 上 圖 顯 示 了 哈 伯 太 空 望 遠 鏡 與 地 面 望 遠 鏡 觀 測 資 料 經 處 理, 重 建 出 在 宇 宙 演 進 巡 天 計 畫 觀 測 天 區 裡 的 物 質 分 佈 ( 包 含 暗 物 質 ) 圖 片 來 源 :NASA, ESA, P. Simon (University of Bonn) and T. Schrabback (Leiden Observatory) 238 雙 月 刊 32 卷 3 期

55 天文宇宙 物理新知 想要更多有關宇宙正在加速膨脹的證據嗎 靠哈 量測越精準 在星系與我們之間的物質分佈便會量 伯太空望遠鏡就對了 天文學家使用哈伯太空望遠 測得越精準 哈佛大學的 William High 伯是也說到 鏡上裝載的 ACS Advanced Camera for Surveys 持 在以前 大部分類似研究的成果都是 2D 就像胸 續對同一天區拍攝了接近 1000 小時 獲得 575 幅 部 X 光片一樣 但本項研究卻比較像是由核磁共振 邊緣稍微有點重合的影像 得到了宇宙巡天計畫影 所重建的人體骨骼分佈 3D 圖 更好的事情是 我們 像 一個由 Leiden 天文臺 Tim Schrabback 博士主 可以看到不只現在 而是暗物質所組成的宇宙骨骼 持的國際研究團隊 針對宇宙演進巡天計畫 Cos- 從古到今的成熟過程 該項研究成果將刊登在下一 mological Evolution Survey 哈伯太空望遠鏡執行過 期 Astronomy and Astrophysics 期刊 最大的巡天計畫 所拍攝的 446,000 個星系進行研 究 證實了宇宙正在加速膨脹 由於這項研究對大尺度研究相當精細 因此分析 結果還可以獨立地去驗證 宇宙的膨脹正被暗黑能 天文學家可以利用了弱重力透鏡效應 一種可以 量所加速 這個命題 科學家需要知道在宇宙的進 把訊息儲存在遙遠星系的扭曲變形裡的現象 測 程中 物質是如何產生且又是如何演化 才能夠決 量出在跨越遙遠的空間尺度內有多少組成物質 而 定宇宙裡的重力 將物質聚集在一起的拉力 與暗 由 Schrabback 領導的團隊以複雜的幾何運算改良了 能量 使物質脫離 宇宙膨脹加速的斥力 如何作 標準程序 能夠以前所未有的超高精準度計算出星 用 Bonn 大學的 Benjamin Joachimi 博士說 暗能 系的變形量 除了哈伯太空望遠鏡的資料之外 研 量從兩個方面影響我們的測量 首先 當暗能量存 究團隊還利用地面望遠鏡觀測的紅位移資料來補充 在 星系團形成的速度將會變慢 此外 暗能量也 其中 194,000 個星系的距離數據 最遠達紅位移 5 會改變宇宙膨脹的方式 讓星系相離更遙遠 也將 這項研究裡所使用的大量星系資料 配合紅位移資 會更有效地產生重力透鏡效應 而我們的測量結果 料 將可以描繪出一幅可以展示精確宇宙結構的地 對於兩種影響都非常地靈敏 巴黎天文物理研究 圖 同時也可以幫助我們瞭解其中的星系成員以及 所的 Martin Kilbinger 研究員補充說 這樣研究同 分佈方式 時也提供了愛因斯坦的廣義相對論另一項佐證 Edinburgh 大學的 Patrick Simon 博士說 在類似 天文學家選擇宇宙演進巡天計畫資料庫的原因是 的研究分析裡 如此大量的星系樣本資料是前所未 因為它是目前最具代表性的宇宙樣本庫 但隨著類 見的 但更有價值的是 從這個巨型資料庫所能分 似 Schrabback 博士主持的研究計畫的進行 天文學 析出的宇宙里不可見結構的價值 Bonn 大學的 Jan 家有一天將會可以把研究方法應用到天空其他更廣 Hartlap 副研究員說 如果星系與我們之間的距離 闊的天區 描繪出宇宙更清晰的圖像 譯者 Meow Yi-Hong Hsu 轉載自中研院天文網 資料來源 Universe Today 2010/03/26 新聞稿 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:46

56 普 朗 克 衛 星 新 影 像 揭 露 恆 星 形 成 過 程 大 多 數 的 新 生 恆 星 都 埋 藏 在 濃 厚 雲 氣 與 塵 埃 之 中, 但 普 朗 克 衛 星 的 微 波 偵 測 器 可 以 穿 透 遮 蔽 物, 進 而 提 供 恆 星 形 成 的 新 影 像 普 朗 克 衛 星 最 新 公 開 的 影 像 中 非 常 清 楚 地 揭 露 出 銀 河 中 兩 個 不 同 的 恆 星 形 成 區 域, 正 在 進 行 不 同 的 物 理 過 程 圖 片 來 源 : Credits: ESA/LFI & HFI Consortia 圖 片 說 明 : 由 普 朗 克 衛 星 拍 攝 所 拍 攝, 獵 戶 座 星 雲 裡 的 活 躍 恆 星 形 成 區 240 雙 月 刊 32 卷 3 期

57 天文宇宙 物理新知 圖片來源 Credit: ESA / HFI and LFI Consortia 圖片說明 下圖是另外一系列由普朗克衛星觀測 位於英仙座附近一塊相對較不活躍恆星形成區域影像 從影 像中可以發現不同星際介質如何分佈 普朗克衛星透過 9 個不同波段觀測位於獵戶座與 中可以發現 巴納德環只有在長波段顯現 這代表 英仙座的恆星形成區域 文章開端的影像顯示的是 巴納德環的輻射來自於熱電子而非星際介質 這種 獵戶座星雲裡的一塊充滿星際介質的區域 這個區 能夠分辨不同輻射機制的能力正是普朗克彗星的基 域正有大量的恆星正活躍地形成 Cardiff 大學同時 本任務 也是普朗克計畫副研究員 Peter Ade 說 普朗克衛 在普朗克衛星靈敏的儀器在不同波段的觀測下發 星最大的特徵就是觀測範圍涵蓋大範圍波段 這一 現 銀河系在天空蠻大區域裡都有強烈的輻射 這 點在拍攝的影像中一覽無遺 舉例來說 在上面大 些輻射主要是由四種機制所產生 每種機制都可以 圖中 紅色弧狀結構是巴納德環 但在旁邊的小圖 個別由普朗克衛星所確認 在波長最長的波段 波 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:47

58 圖 片 來 源 : ESA / HFI and LFI Consortia, STSci/DSS/IRAS (background image) 圖 片 說 明 : 普 朗 克 衛 星 觀 測 獵 戶 座 與 英 仙 座 的 影 像 位 置 242 雙 月 刊 32 卷 3 期

59 天文宇宙 物理新知 長大約 1cm 普朗克衛星觀測到同步輻射 一種 的氣體與塵埃 被稱為 分子雲絲 cirrus 外表就像 由高速電子與銀河系磁場交互作用產生的輻射 在 在地球上看到的卷雲 的區域 就由較多揮發性 波長約數公釐的波段 主要是由新生恆星加熱氣體 物質所組成 游離後所發出的輻射 在波長最短的波段 接近與 由於普朗克衛星能夠觀測大範圍的波段 因此也 不到一公釐 普朗克衛星可以繪製出星際塵埃的 是第一次能夠同時提供所有主要輻射機制資料的衛 分佈 甚至是處於將要塌陷成新生恆星的時期 溫 星 也因為能夠觀測大範圍波段 除了能夠觀測研 度最低的緻密區域也可以 究宇宙背景輻射的資料 同時也是研究星際介質得 Manchester 大 學 Jodrell Bank 天 文 物 理 中 心 的 Richard Davis 教授說 普朗克衛星真正厲害之處 在於 能夠結合高低不同頻率的儀器 讓我們第一 重要關鍵 Manchester 大學的 Clive Dickson 博士稱讚說 普 朗克衛星的巡天影像真是令人驚嘆 次能夠分辨這三種機制 此外 普朗克衛星還可比 普朗克衛星巡天所使用的儀器包括 HFI 高頻觀 以前更清晰地觀測宇宙微波背景輻射 雖然這是它 測儀器 觀測頻段 GHz 波長 3mm 被設計出來的原始目標 0.35mm) LFI 低 頻 觀 測 儀 器 觀 測 頻 段 新生恆星在形成之後會開始吹散周遭的氣體與塵 GHz 波長 10mm 4mm). 埃 進而改變周遭的環境 氣體與塵埃在形成恆星 普朗克衛星將在 2010 年中完成第一次全天區觀 與被新生恆星風吹散的微妙平衡中就決定了一個星 測 之後將繼續觀測到 2012 年底 預計將完成四次 系能夠形成的恆星數目 包括重力 氣體與塵埃的 全天區觀測 為了達成預先設立的宇宙學研究目標 加熱與冷卻效應 磁場與其他不同因等素等物理過 將花費兩年處理與分析影像資料 因此第一套經過 程都會影響這個平衡 在各種不同因素的交互影響 處理的影像資料將會在 2012 年底公開給全球科學 之下 介質本身會調整成不同狀態 且共同存在 界 比如說被稱為 分子雲 的區域 裡面包含著濃密 譯者 Meow Yi-Hong Hsu 轉載自中研院天文網 資料來源 Universe Today 2010/04/26 新聞稿 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:49

60 太陽上有 蝴蝶效應 你也看得見 太陽動力觀測站 簡稱 SDO 自今年二月發射升空以來 回傳圖片已經超過 500 萬 張 這龐大且源源不絕的數據資料和壯觀圖像 讓專門研究太陽的科學家對太陽風暴性 質的了解開始進入動態的階段 有了 SDO 的幫助 科學家們現在正目睹 即使是微小 的太陽活動 也能對太陽整體帶來大的影響 該計畫的首席科學家潘斯諾說 簡單講 我們發現太陽上也有 蝴蝶效應 全新觀點 從 太陽動力觀測站 看太陽 圖片來源 NASA 244 物理雙月刊32-3_ indb 244 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:50

61 天文宇宙 物理新知 從 SDO 看到太陽邊緣發生強烈的日珥爆發 圖片來源 NASA SDO 這個觀測站由三大主要儀器組成 其中的 大 氣成像組件 AIA 能以高解析度記錄全幅的 接下來 由日珥噴發處開始 有絲狀的噴發蔓延 所橫跨面積達到將近太陽盤面的 1/3 太陽日冕和色層球圖像 它具有前所未有的廣頻道 負責 AIA 成像器的首席研究員 洛克希德馬丁先 和快速度 SDO 的潘斯諾說 我們可以局部放大每 進技術中心的亞蘭泰特說 即使是小噴發 結果 個小區域 任何部分都可以任意放大 這使觀測的 都有可能造成太陽表面大區域的結構重組 能在這 活動無論從時間或空間的角度來說 都能更遠 更 樣大範圍的區域中認知到這些變化正在發生 都是 詳細 看得到太陽整體狀況 使我們能清楚知道這 因為有 AIA 所提供的資料 它的特色是能夠自由組 部分如何影響那一部份 並將它放大 盡可能精確 合空間 時間和範圍 亞 蘭 泰 特 在第 216 屆 美 國 天 文 學 會 會 議 上 說 的測量各種細節 自從 大氣成像組件 3 月 30 日開始執行任務起 SDO 提供的一些初始數據 包括磁場地圖和連續影 科學家觀察到太陽邊緣發生一個大型的日珥爆發 片的電影等 使科學家更有信心解答太陽風暴的成 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:51

62 因和影響 他們所架的新網站將幫助研究學者找到他們較感 AIA 觀察到好幾次非常小的耀斑所造成磁場不穩 定 並且生成一些波 觀察中很清晰的看得到這些 興趣的數據集 至於一般天文觀察民眾 則提供一 些較概略性的介紹說明 波對太陽表面帶來一些相當的影響 AIA 能在 8 個 洛克希德馬丁研究中心的赫爾伯說 SDO 每天所 不同的溫度帶 捕捉完整的太陽全幅圖像 溫度帶 產出的新資料比 TRACE 號任務在 5 年裡所拍的 的範圍橫跨 1 萬至 36 萬華氏度 (= 攝氏 5 千 5 百 ~ 還多 (TRACE 是 NASA 在 1998 年發射的太陽探測 20 萬度 ) 它的具體意義是 科學家得以較不受條 衛星 中文名 太陽過渡區與日冕探測器 ) 我 件限制地觀察到整個事件 過去 在單一溫度帶 們希望能和社會大眾多多加以分享 但我們想做的 較慢的照相速度 較有限的視場等條件下 非常難 比較有效率一點 所以我們開發了 太陽物理事件 以認知或看到現在所看得到的 知識庫 HEK 和 太陽今天 這兩個網站 太陽風暴產生的電磁干擾 對地球可能帶來的影 太陽今天 的網站顯示太陽此刻正在發生的事 響包括 誘導電線中產生大電流 電力線路中斷 件狀態 藉由這些資料 無論是研究學者或其他人 造成大區域全面停電 太陽風暴也會干擾全球定位 都可以取得更詳細的說明 獲取 SDO 的相關數據 系統 有線電視 干擾地面控制站和衛星之間的通 HEK 網站則包括 事件 和 覆蓋 的註冊 檢 訊 干擾地面塔台和飛行航線較接近地球南北兩極 查和分析工具 事件識別系統 和 電影處理 的飛機駕駛員之間的通訊 太陽風暴所發出的無線 等數項功能 其中 事件服務功能 使網站使用 電噪音也可能造成手機通訊服務中斷 者能和 HEK 之間有即時互動 為了幫助科學家和一般大眾了解和取得 SDO 傳回 來的大量數據 科學團隊還特別建立了一些有助於 大家更了解這些數據的工具 他 們 還 你 怎 樣 處 理 數 據 提 取 圖 像 和 並 且 將 SDO 數據製作成電影 更多細節請參考 SDO 的網站 譯者 Lauren 轉載自中研院天文網 資料來源 Universe Today 2010/05/25 新聞稿 246 物理雙月刊32-3_ indb 246 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:51

63 物理新知 天文宇宙 天上的星如海邊的沙 哇 只剩驚嘆了 成多數恆星的星系 多半是白色 紅色所顯示的星 系很可能是最遙遠的 如今我們眼中所見的 和它 們在大約 120 億年以前的樣式相比 其實所差無幾 近十幾年以來 這些在宇宙中距離遙遠的明亮星 系一直不斷的困擾著天文學家 因為這些明亮的紅 外星系孕育創造新的恆星的速度似乎是有些驚人 違反著傳統的星系形成理論 現在 歐洲太空總署的赫歇爾紅外線太空望遠鏡 運用其高敏銳度的廣域映射能力 不但已經看得到 成千上萬的這些星系 且能精確定位出它們的位置 第一次顯示出它們其實像沙丁魚罐頭一樣 多麼緊 密的擠成一堆 圖像上一點一點看來好像刻意製造 的 斑駁 效果 其實已洩露了這些星群集叢的真 面目 -- 幾乎所有跡象都顯示著這些星系正忙於相互 圖 : 赫歇爾天文望遠鏡所看到的宇宙遠方 圖片所有 ESA 衝撞 大量恆星就是在這些劇烈的碰撞後誕生的 這張圖片代表的是 赫歇爾 - 多層次 - 系外星系 - 這裡所看到的每一個色點 都代表著不單只是一 調查 英文簡稱 HerMES 的一部分主要計畫成 顆星 而是一個星系 每一個星系又含有數十億顆 果 這個計畫研究主體對象是遙遠而古老的宇宙 恆星 這些遙遠而明亮的紅外線星系 正向我們展 而它準備要解答的問題則是 星系的演化如何發生 示在大約 億年前 它們好像海邊的沙一 所採用的工具是裝設在赫歇爾觀測站上的這一台 樣的擠成一堆 彼此間的相互重力 形成龐大的星 光譜和光度影像接收機 (SPIRE: Spectral and Pho- 系群 tometric Imaging REceiver 目前已完成測量 15 平 英國航天局太空科學與探索署署長大衛帕克博士 說 這些最新結果雖令人驚歎不已 但還不過是 方度 - 約等同於滿月的外觀尺寸的 60 倍大的面積 一片面積不小的天空 赫歇爾天文衛星給我們預嚐一點點甜頭美味而已 本張圖片拍攝於太空中一個稱為 洛克曼洞 的 未來它將解開宇宙初期更多關於恆星誕生和星系成 空間 這個有名的洞 能提供觀測者一個清晰的 可 形的奧祕 精彩可期 視直線 - 中間沒有障礙物 - 直接看得到遙遠的宇 赫歇爾望遠鏡觀察的星系 依波段分別以藍色 綠色和紅色呈現 白色表示三種波段強度平衡 形 宙 此 洞 的位置就在大家耳熟能詳的北方天空 的大熊星座中 資料來源 UKSA 譯者 Lauren 轉載自中研院天文網 資料來源 Universe Today 2010/05/26 新聞稿 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:52

64 碳奈米管讓超穎材料威力大增 英國及義大利科學家最近利用覆蓋碳奈米管 (car- 這種複合材料的製作可分為兩階段 研究人員先 bon nanotube) 的金奈米結構陣列 製作出能操控光 以鎵原子束轟擊在金薄膜上切割出約 25 nm 寬的溝 的元件 這種以光子超穎材料 (photonic metamate- 渠 這些溝渠形成邊長 500 nm 的正方形陣列 正方 rial) 為基礎的元件 未來可望應用在雷射及光通訊 形未完全閉合 而呈上下相疊的 ㄇ一 字狀 此 元件中 結構的光學反應與表面電漿子有關 因此又稱為 電 漿子超穎材料 (plasmonic metamaterial) 超穎材料是由柱狀及環狀微小結構陣列所組成的 人造材料 對於電磁波有異於尋常的反應 例如 接著 該小組將碳奈米管溶液噴灑在上述材料上 超穎材料的折射率可以設計成隨位置而變 甚至具 待其乾燥後便形成毛氈狀 厚約 50 nm 的碳管層 有負折射率 科學家已經利用這些特殊的性質來製 碳奈米管之所以雀屏中選 是因為它們具有特殊的 作能突破繞射極限的 超級透鏡 (super-lenses) 以 非線性光學性質 能與光及電漿子作用 而且製作 及在微波波段操作的 隱形斗篷 (invisible cloak) 簡單便宜又耐用 還能輕易地與波導或其他光電元 件整合 超穎材料的缺點之一是它們與光的交互作用相當 微弱 不過最近 Nikolay Zheludev 與其在英國南安 上述結構可以製作光學限制器 (optical limiter) 用 普敦 (Southampton) 大學及義大利技術研究院 (Italian 來防止光學網路中的功率暴衝 它們也可以製成產 Institute of Technology) 的同事製作出一種結合碳奈 生脈衝雷射所需的鎖模或 q 開關元件 以及處理光 米管及金質超穎材料的複合系統 能強化對於光的 資訊的奈米級線路 Zheludev 等人目前計畫要研發 反應 使折射率產生比一般超穎材料更強烈又迅速 其他非線性 可切換及操控的超穎材料 的改變 這種複合超穎材料的反應時間不到一皮秒 (picosecond, 即 秒 ) 相形之下液晶的典型反 詳見 Physical Review Letters 104, p (2010) 應時間為數微秒 譯者 郭西川 ( 彰化師範大學物理系 ) 責任編輯 : 蔡雅芝 轉載自奈米科學網 參考連結 物理雙月刊32-3_ indb 248 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:53

65 奈米科學 物理新知 利用 STM 式接面擷取太陽能 掃描式穿隧電子顯微鏡 (STM) 是利用金屬探針與 子只需飛秒 (femtosecond) 左右就能越過接面 ( 此即 導電樣品間的微小穿隧電流來進行量測 最近 比 典型的穿隧時間 ) 因此頻率高達 1015Hz 的輻射也 利時 韓國及美國的研究人員提出利用類似 STM 的 能加以整流 金屬 - 真空 - 金屬接面 來擷取太陽能的想法 他們 的設計包含一根尖銳的金屬針及金屬平板 兩者之 這 個 由 比 利 時 Namur-FUNDP 大 學 的 Alexandre 間是寬僅數奈米的真空 他們發現這種接面結構可 Mayer 領導的跨國團隊針對上述系統進行了量子立 以用來幫頻率介於紅外至可見光範圍的交流 (AC) 電 學計算 含蓋了單頻及全頻分佈下的整流效果 以 壓整流 (rectify) 因此可望用來製作連結光子與電子 模擬聚焦後的太陽光束 結果發現該系統確實能有 線路的光二極體 (optical diode) 它也提供了將太陽 效整流頻率範圍從紅外至可見光的入射光 他們也 輻射能量轉換成直流 (DC) 電流的方法 分析了該元件將入射輻射能量轉換成電能的效率 得到的量子效率高達 25% 研究人員認為如果採用 上述接面的整流特性來自於其幾何上的非對稱性 更大型的金屬突起 應該還能得到更高的效率 入射光的電場會被金屬針尖放大 當電場的方向朝 下時 接面內會感應產生大的環狀電流 而上方的 研究人員也發現 金屬針尖的偏振共振 (polariza- 金屬板沒有放大電場的作用 所以當電場朝上時 tion resonance) 現象可提升接面的整流效果 換言 只有很小的環狀電流 因此在振盪的電場下 會有 之 研究人員可藉由選擇具有不同偏振共振頻率的 一淨 DC 電流通過接面 材料以及金屬針的尺寸 來控制電磁輻射能量轉換 效率最高的頻率 上述想法要能運作的關鍵在於 電子必須在電場 變號前就越過接面 由於兩金屬相距僅數奈米 電 詳見 Nanotechnology 21, (2010) 譯者 郭西川 ( 彰化師範大學物理系 ) 責任編輯 : 蔡雅芝 轉載自奈米科學網 參考連結 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:54

66 以雷射和綠茶殺死癌細胞 德國科學家最近發現 普通強的脈衝雷射能迫使 有的特性 不僅密度和黏度較高 經雷射照射後密 癌細胞攝取周圍的藥物 烏爾姆 (Ulm) 大學的研究 度還會變小 當關掉雷射後 界面水層會復原並產 人員利用波長 670 nm 的紅光先讓生物細胞內含的水 生負壓 造成細胞間的水份連同周圍的藥物分子 體積膨脹 關掉光源後水的體積會立刻使收縮 導 一起被吸入細胞內 致癌細胞吸入周圍的藥物分子 烏爾姆團隊使用綠茶做為子宮頸癌的藥物模型 指導該研究團隊的 Andrei Sommer 表示 這是第 綠茶含有高濃度的兒茶素類 (epigallocatechin gallate, 一個強迫癌細胞吸收抗癌藥物的方法 多數現行療 EGCG) 是一種有效的腫瘤抑制劑 研究人員表示 法依賴細胞被動攝入藥物 例如藉由擴散讓藥物進 上述方法應可推廣到更多的抗癌藥物上 目前脈衝 入細胞雙層脂膜構造內 或經由細胞膜上的運輸蛋 光已普遍用於臉部美容 體外實驗 (in vitro) 也證實 白 (transport proteins ) 擴散入內 然而在化療過程中 它能增加細胞數目 但科學家仍不確定雷射光如何 細胞膜上的 輸出 ( efflux ) 系統會排出藥物 產生這些影響 上述研究成果顯示雷射光對細胞的 因而產生多重抗藥性 (multi-drug resistance) 的問題 幫浦機制 能協助運送養分或藥物分子進入細胞 研究人員正設法利用針對細胞膜而非細胞內部的化 學和生化方法 來解決此問題 該團隊希望找出最佳的脈衝雷射光圖形 並進行 體內試驗 (in vivo) 他們也希望這個新方法能結合其 Sommer 的團隊另闢蹊徑 從細胞的體積下手 細 胞被一般強度 (1000 W/m2 670 nm) 的雷射光照射 他化療技術 例如局部施用或注射 EGCG 做為治療 藥物 再結合紅光雷射 可望用來治療皮膚癌 後 內部水份的密度和黏度會降低 體積因而膨脹 細胞內的水份存在於親水性的界面之間 如大型分 子和胞器的表面 奈米級的界面水具有一般水所沒 詳 見 近 期 的 Photomedicine and Laser Surgery doi: /pho 譯者 賽逸昕 ( 國家衛生研究院 ) 責任編輯 : 蔡雅芝 轉載自奈米科學網 參考連結 物理雙月刊32-3_ indb 250 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:04:55

67 奈米科學 物理新知 小電子推得動大原子 美國科學家對於電子如何在奈米級的金屬線中傳 種強大的 電遷移力 (electromigration force) 可以 輸 有了重大的發現 他們發現在奈米結構中 電 用來有計畫地移動奈米元件中的原子 或許可應用 子推動原子的力量遠比預期還要大 這一點或許可 於自組成奈米線 例如製造一種藉由交流電來周期 用來改進下一代奈米電子元件 性改變結構的元件 未來還可能用來操控奈米機械 當電子元件越來越小之際 研究人員首當其衝需 不只如此 研究團隊還發現在單原子台階邊緣 要知道電流如何在微小電路中流動 特別是在奈米 添 加 諸 如 碳 60 等 抽 離 電 子 的 結 構 (electron- 結構中 原子的電遷移 (electromigration) 將會影響 withdrawing structure) 或缺陷 可以大幅降低電遷移 其電性 甚至使元件失效 不過換個角度看 原子 力 原因是樣品中的大部分原子結構允許電子輕易 的移動也能用來製造其他微小結構 穿過 但缺陷卻會因很強的散射效應而使電子慢下 來 馬里蘭大學的 Ellen Williams 與其同事首先在直徑 約 2-50 nm 的銀奈米線上製造一系列不同的奈米結 研究團隊目前正在研究置於石墨片 (graphene) 上 構 例如島狀或是接階梯結構 接著 他們使用掃 的奈米結構中的類似效應 例如在石墨片上製造缺 描式穿隧電子顯微鏡 (STM) 來觀察電流通過奈米線 陷 並在上面沉積會造成散射的原子 他們預期當 時 結構如何移動或變形 研究人員驚訝地發現 電流通過石墨片時 會看到原子移動以及局部電阻 改變電流的方向可以使結構來回地移動 的現象發生 馬里蘭團隊表示 在奈米結構中 電荷載子推動 原子的力量比以往認知的還要大上約 20 倍左右 這 詳 見 近 期 的 Science DOI: /sci- ence 譯者 蘇俊鐘 ( 交通大學電子物理研究所 ) 責任編輯 : 蔡雅芝 轉載自奈米科學網 參考連結 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:04:55

68 物 理 奧 林 匹 亞 競 賽 試 題 與 解 答 撰 文 林 明 瑞 本 刊 徵 得 物 理 奧 林 匹 亞 國 家 代 表 隊 選 訓 小 組 的 同 意, 每 期 精 選 若 干 試 題 和 解 答, 以 饗 讀 者 本 期 選 刊 兩 道 國 內 選 拔 競 賽 的 試 題 本 期 試 題 評 註 : 物 理 學 的 迷 人 之 處 在 以 簡 馭 繁, 憑 著 很 少 的 幾 條 基 本 定 律, 我 們 可 用 以 解 釋 許 多 自 然 現 象 本 期 選 刊 的 兩 題 作 為 例 證, 計 算 玉 山 頂 峰 上 的 大 氣 壓 力 和 水 的 沸 點, 以 及 推 算 遠 在 天 際 的 中 子 星 的 質 量 和 軌 道 半 徑 一 玉 山 頂 峰 上 的 大 氣 壓 力 和 水 的 沸 點 5 已 知 在 海 平 面 上 的 大 氣 溫 度 T 0 = 288K, 大 氣 壓 力 P 0 = Pa, 玉 山 頂 峰 的 海 拔 高 度 為 3952m, 波 茲 曼 常 數 k = JK, 一 莫 耳 空 氣 分 子 的 平 均 質 量 為 kg, 回 答 下 列 各 題 ; (a) 若 不 考 慮 大 氣 的 溫 度 隨 海 拔 高 度 z 的 升 高 而 引 起 的 變 化, 即 假 設 大 氣 的 溫 度 T 不 變, 試 證 大 氣 壓 力 和 海 拔 高 度 之 間 的 函 數 關 係 式 為 -mgz/ kt P = P0 e 式 中 m 為 一 個 空 氣 分 子 的 平 均 質 量,g 為 重 力 加 速 度 利 用 上 式, 計 算 在 玉 山 頂 峰 上 的 大 氣 壓 力 (b) 實 際 上, 大 氣 溫 度 隨 海 拔 高 度 的 升 高 而 降 低, 其 近 似 的 關 係 式 為 T = T -α z 0 式 中 α = 6.50K / km 若 計 入 此 因 素, 試 證 大 氣 壓 力 和 海 拔 高 度 之 間 的 函 數 關 係 式 將 變 為 P = P 0 ( 1 - bz ) l 求 出 式 中 的 常 數 b 和 λ 各 為 何 ( 以 m g k T 0, 和 α 表 示 之 )? 利 用 上 式, 計 算 在 玉 山 頂 峰 上 的 大 氣 壓 力 (c) 同 一 物 質 的 兩 種 相 態 共 存 而 處 於 熱 平 衡 狀 態 時, 其 壓 力 P 和 其 絕 對 溫 度 T 之 間 的 變 化 關 係 式 為 dp L = dt T ( v - v ) 雙 月 刊 32 卷 3 期

69 物 奧 試 題 式 中 L 為 該 物 質 自 相 態 1 到 相 態 2 的 單 位 質 量 的 相 變 潛 熱, v1和 v2 分 別 為 兩 相 態 的 單 位 質 量 體 積 這 個 關 係 式 稱 為 克 勞 西 斯 - 克 拉 比 杭 方 程 式 (Clausius- 6 Clapeyron s Equation) 已 知 在 100 時 水 的 汽 化 熱 為 J / kg, 水 的 密 度 3 為 α = 6.50K / km, 水 蒸 汽 的 密 度 為 0.598kg / m, 利 用 (b) 題 的 結 果, 導 出 水 的 沸 點 和 海 拔 高 度 之 間 的 函 數 關 係 式, 並 求 出 在 玉 山 頂 峰 上 的 水 的 沸 點 為 何? 二 雙 星 活 動 兩 星 互 繞 可 形 成 一 對 雙 星 系 統 若 其 中 一 星 為 中 子 星, 則 可 能 因 受 到 很 強 的 重 力 作 用, 而 將 其 伴 星 外 圍 的 物 質 吸 引 流 向 中 子 星, 在 其 外 圍 形 成 吸 積 盤, 如 圖 1 所 示 吸 積 盤 受 重 力 的 吸 引 壓 縮 而 增 溫 增 壓 當 能 量 密 度 夠 大 時, 會 發 生 劇 烈 核 反 應 而 發 出 高 能 量 的 強 光 人 造 衛 星 的 X- 光 偵 測 的 結 果 顯 示, 中 子 星 系 統 的 X- 光 強 度 有 週 期 性 的 變 化, 如 圖 2 所 示 有 些 理 論 模 型 認 為 其 中 的 低 頻 變 化 源 自 於 圖 1 中 的 內 層, 隨 著 中 子 星 自 轉 ; 高 頻 變 化 則 源 自 於 圖 1 中 的 外 層, 如 同 行 星 一 樣, 只 受 重 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 253

70 力 的 作 用, 在 外 圍 繞 行, 稱 為 克 卜 勒 層 在 X- 光 訊 號 之 中, 有 許 多 源 自 吸 積 盤 原 子 的 特 性 譜 線, 其 中 一 個 6.9keV 譜 線 的 強 度 隨 能 量 變 化 如 圖 3 所 示 ; 這 個 譜 線 可 分 解 為 兩 個 主 要 譜 峰, 其 中 一 個 較 強, 另 一 個 較 弱 而 且 紅 移 較 大, 如 圖 4 所 示 模 型 之 一 假 設 較 弱 的 譜 峰 源 自 於 內 層 的 發 光, 其 較 大 的 紅 移 是 由 於 中 子 星 的 重 力 場 對 光 子 的 作 用, 而 寬 度 (~1.2keV) 則 是 由 於 光 源 隨 中 子 星 自 轉 的 都 卜 勒 展 寬 註 : 都 卜 勒 展 寬 是 指 運 動 中 的 發 光 原 子, 因 都 卜 勒 效 應, 使 發 射 出 的 光 子 頻 率 產 生 變 化, 以 致 光 譜 線 變 寬 (a) 質 量 分 別 為 M 1 和 M 2 的 兩 星, 互 相 環 繞, 形 成 一 對 雙 星 系 統 已 知 它 們 互 繞 的 頻 率 是 f, 兩 星 的 距 離 為 何 ( 以 M 1 M 2 f 和 萬 有 引 力 常 數 G 表 示 之 )? (b) 若 原 子 的 特 性 譜 線 源 自 於 內 部 電 子 在 最 內 兩 軌 域 之 間 的 躍 遷, 所 釋 放 出 的 光 子, 則 釋 放 6.9keV 特 性 譜 線 的 原 子 可 能 為 下 列 何 者? (c) 若 中 子 星 的 內 部 溫 度 約 為 10 7 K, 估 算 在 此 高 溫 之 下, 因 物 質 熱 擾 動 所 造 成 f 的 都 卜 勒 展 寬 的 比 值 為 何? f Thermo 24 6 (d) 當 光 子 從 地 球 表 面 ( M = kg, R = m ) 射 向 太 空 ( 無 E 窮 遠 處 ) 時, 在 地 球 重 力 場 中 會 產 生 能 量 的 變 化, 稱 為 重 力 紅 移 估 算 光 子 能 E 量 的 變 化 比 值 為 何?( E G = N m kg ) g (e) 估 算 此 中 子 星 半 徑 ( 約 等 於 內 層 的 半 徑 ) 30 (f) 估 算 此 中 子 星 的 質 量, 約 為 太 陽 質 量 ( kg) 的 多 少 倍? (g) 估 算 此 中 子 星 外 圍 克 卜 勒 層 的 半 徑 E 254 雙 月 刊 32 卷 3 期

71 物 奧 試 題 解 一 玉 山 頂 峰 上 的 大 氣 壓 力 和 水 的 沸 點 (a) 考 慮 如 右 圖 所 示 的 極 短 空 氣 柱, 截 面 積 為 A, 高 度 為 dz 由 靜 力 平 衡 的 條 件 可 得 ( P + dp) A + ρagdz = PA dp = -ρgdz 利 用 理 想 氣 體 方 程 式 PV Nm mp ρ = = V kt 將 之 代 入 上 式, 得 dp mg = - dz P kt P dp mg = P kt P0 0 - mgz/ kt 0 0 z = NkT, 可 得 dz P = P e = P e - z/ z0-23 kt z = = 8480m 式 中 mg 已 知 玉 山 山 頂 的 海 拔 高 度 為 3952m, 故 在 玉 山 頂 上 的 大 氣 壓 力 為 -3952/ P = P0 e = 0.627P0 = Pa 或 477mmHg (b) 利 用 T = T0 - α z, 則 大 氣 的 密 度 需 改 寫 為 Nm mp ρ = = V k( T0 -α z) dp mg = - dz P k( T -α z) P P0 0 0 z dp mg dz = P kα z - ( T / α) P mg α z ln = ln 1- P0 kα T0 P = P - bz l 0 ( 1 ) 0 α 式 中 b = mg, l = 已 知 α = 6.50K / km, T 0 = 288K, 得 T0 kα / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 255

72 -3 23 ( / ) 9.80 l = = 在 玉 山 頂 上 的 大 氣 壓 力 為 Pa 466 mmhg P = P - = P = 288 (c) 由 克 勞 西 斯 - 克 拉 比 杭 方 程 式 得 T P0 l ln = (1 - bz) -1 T (0) β l P α z T = T - - β T0 0 (0) exp Lρ1ρ β = = = J(kg) 式 中 ρ - ρ 或 6-1 dt dt dp T dp = = dz dp dz β dz P = P - bz l, 得 利 用 ( ) 0 1 dp l-1 = -blp0 (1 - bz) dz dt T = -blp0 (1 - bz) dz β dt T blp (1 bz) β 0 = - - l-1 T z dt blp0 = - - T β T (0) 0 l-1 dz (1 bz) l-1 T P0 l ln = (1 - bz) -1 T (0) β dz l P α z T = T - - β T0 dt T l-1 = -blp0 (1 - bz) dz β dt T 0 (0) exp 1 1 blp (1 bz) β 0 = - - l-1 T z dt blp0 = - - T β T (0) 0 dz (1 bz) l-1 dz 256 雙 月 刊 32 卷 3 期

73 物 奧 試 題 T P0 l ln = (1 - bz) -1 T (0) β l P α z T = T - - β T0 0 (0) exp 1 1 已 知 在 海 平 面 上 (z = 0), 水 的 沸 點 T (0) = 373K, 利 用 上 式 可 計 算 在 玉 山 頂 峰 上 的 水 的 沸 點 為 T = 373 exp e - 362K = = 在 玉 山 頂 峰 上, 水 的 沸 點 為 362K 或 89 二 雙 星 運 動 (a) 設 兩 星 的 質 量 分 別 為 M 1 和 M 2, 各 星 距 其 系 統 質 心 C 的 距 離 為 R 1 和 R 2, 如 下 圖 所 示 兩 星 之 間 的 萬 有 引 力 提 供 這 兩 星 繞 其 系 統 質 心, 作 圓 周 運 動 所 需 的 向 心 力, 即 2 GM1M 2 M1v 2 GM 2 2 = = M 2 1R1 (2 π f ) = R 2 1(2 π f ) (1) ( R + R ) R ( R + R ) 按 質 心 的 定 義, 可 得 M R M R R M R = = (2) M 2 ( M + M ) R R1 + R2 = (3) M 2 利 用 (1) 和 (3) 兩 式, 可 得 GM 2 2 2( 1 2) (2 ) M R + = π f R 2 ( R + R ) ( M + M ) G( M1 + M 2) ( R1 + R2 ) = 2 (2 π f ) 1/3 G( M1 + M 2) R1 + R2 = 2 (2 π f ) (4) / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 257

74 (b) 原 子 序 為 Z 的 類 氫 原 子 的 能 階 公 式 可 寫 為 Z En = - (5) 2 n 若 原 子 的 特 性 譜 線 源 自 於 內 部 電 子 在 最 內 兩 軌 域 之 間 的 躍 遷, 所 釋 放 出 的 光 子, 則 E = E2 - E1 = 13.6Z = Z = Z = 26 釋 放 6.9keV 特 性 譜 線 的 原 子 可 能 為 F e (c) 原 子 的 平 均 動 能 為 < mv > = kt kT < v >= = = m/s -27 m f v = = = f c Thermo -4 E hf (d) 光 子 的 動 態 質 量 m = = c 2 c 2 當 光 子 從 地 球 表 面 上 射 至 太 空 無 窮 遠 處 時, 由 於 重 力 位 能 增 加, 因 而 導 致 光 子 的 能 量 減 小, 其 減 少 的 量 值 等 於 其 重 力 位 能 的 變 化 量, 即 GM Em GM Ehf E = = - 2 RE REc E GM hf / R c GM = - = - E hf R c 地 球 2 E E E 2 E ( ) ( ) = - = ( ) ( ) (e) 從 圖 2 顯 示 此 中 子 星 的 自 旋 轉 頻 率 為 400Hz, 週 期 約 2.5 ms 從 圖 4 矮 尖 峰 的 半 高 寬 ~1.2keV, 可 估 計 都 卜 勒 展 寬 的 比 值 為 1 f (1.2keV) 2 f 6.9keV 利 用 (6) 式, 得 -10 (6) (7) 258 雙 月 刊 32 卷 3 期

75 物 奧 試 題 f v Rω 2π R = = = f c c ct 8-3 ct f ( ) ( ) R = = = = 2π f 2π 4 (0.087) m 10km (f) 從 圖 4 的 紅 移 矮 峰 中 心 ~ 5.5keV, 可 估 算 由 於 中 子 星 的 重 力 場 所 造 成 的 紅 移 比 E ( ) = E 6.9 g 仿 效 (7) 式, 將 該 式 中 的 地 球 質 量 ME 和 半 徑 RE, 改 為 中 子 星 的 質 量 MN 和 半 徑 RN, 並 設 M N = αm S, 式 中 MS 為 太 陽 的 質 量, 可 得 E GM Gα M α = - = - = - = E R c R c N S ( ) ( ) g N N (10 10 ) (3 10 ) α = 1.3 (g) 環 繞 在 中 子 星 外 圍 的 克 卜 勒 層, 作 圓 周 運 動 所 需 的 向 心 力, 來 自 於 中 子 星 的 重 力, 故 2 2 GM Nm mv m(2 π Rf ) 2 = = = m(2 π f ) R 2 R R R 3 GM N R = 2 (2 π f ) 1/ /3 ( ) 1.3 ( ) N GM R = = = = 4π f 4π m 21 km 作 者 林 明 瑞 國 立 台 灣 師 範 大 學 物 理 系 mjlin@phy03.phy.ntnu.edu.tw / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 259

76 日期 研討會名稱 4/ 第十三屆國際聲子 會議 8/30-9/ The 23rd General Conference of the Condensed Matter Division of the European Physical Society 地點 主辦單位 台灣大學 台灣大學 Universiyy of Warsaw, Poland The Soltan Institute for Nuclear Studies, Świerk University of Białystok University of Warsaw 聯絡人 電話 / 傳真 / Tel : (02) Fax : (02) phonons2010@ntu.edu.tw U.Kalińska K.Fornalski R.Wołkiewicz * 詳情請參考網址 * 請各單位提供兩年內舉辦之研討會消息 即使時間地點尚未確定 亦請把最新消息告訴我們 相信一定會對有興趣的讀者有幫助並可提早計劃 * 我們非常歡迎一年內研討會主辦單位提供一頁 (A4) 較詳細的介紹 * 內容可包括研討會特色 特別講員等等 * 資料請寄至物理雙月刊或 FAX: (02) 物理雙月刊32-3_ indb 260 雙月刊 32 卷 3 期 2010/12/23 下午 07:05:05

77 物 理 學 會 會 議 記 錄 會 議 記 錄 中 華 民 國 物 理 學 會 會 議 記 錄 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 261

78 262 雙 月 刊 32 卷 3 期

79 物 理 學 會 會 議 記 錄 會 議 記 錄 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 263

80 264 雙 月 刊 32 卷 3 期

81 社 團 法 人 中 華 民 國 物 理 學 會 個 人 入 會 申 請 單 請 將 此 表 格 以 正 楷 填 寫 後 傳 真 或 郵 寄 至 中 華 民 國 物 理 學 會 通 訊 地 址 :106 台 北 郵 政 號 信 箱 傳 真 : 服 務 專 線 : 網 址 : 編 號 : 歸 檔 日 期 : 學 會 填 寫 一 人 填 寫 一 張 表 格 ( 可 影 印 使 用 ) 1. 通 訊 資 料 姓 名 英 文 姓 名 生 日 年 月 日 性 別 男 女 服 務 單 位 現 職 郵 寄 地 址 電 話 傳 真 2. 付 款 方 式 ( 任 何 方 式 繳 款, 請 於 當 日 傳 真 此 份 資 料 及 匯 款 單 至 : 中 華 民 國 物 理 學 會 收 ) 劃 撥 : 請 利 用 郵 局 劃 撥 單 繳 款, 請 於 郵 匯 單 上 註 明 入 會 申 請, 以 利 作 業 帳 號 : 戶 名 : 社 團 法 人 中 華 民 國 物 理 學 會 匯 款 : 請 利 用 銀 行 或 郵 局 匯 款 申 請 書 繳 款, 請 於 郵 匯 單 上 註 明 入 會 申 請, 以 利 作 業 收 款 : 華 南 銀 行 台 大 分 行 帳 號 : 戶 名 : 社 團 法 人 中 華 民 國 物 理 學 會 轉 帳 : 請 輸 入 華 南 銀 行 局 號 : 008 帳 號 : 請 填 上 轉 岀 帳 號 ( 後 5 碼 ): 申 請 人 簽 章 : 日 期 : 年 月 日 申 請 種 類 :( ) 一 般 會 員 ( ) 學 生 會 員 ( ) 永 久 會 員 繳 交 費 用 : 一 般 會 員 一 年 600 元, 學 生 會 員 一 年 300 元, 永 久 會 員 9000 元 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 265

82 社 團 法 人 中 華 民 國 物 理 學 會 團 體 入 會 申 請 單 請 將 此 表 格 以 正 楷 填 寫 後 傳 真 或 郵 寄 至 中 華 民 國 物 理 學 會 通 訊 地 址 :106 台 北 郵 政 號 信 箱 傳 真 : 服 務 專 線 : 網 址 : 編 號 : 歸 檔 日 期 : 學 會 填 寫 一 各 團 體 填 寫 一 張 表 格 ( 可 影 印 使 用 ) 1. 通 訊 資 料 團 體 名 稱 英 文 名 稱 單 位 主 管 職 稱 申 請 團 體 主 要 業 務 郵 寄 地 址 電 話 傳 真 2. 付 款 方 式 ( 任 何 方 式 繳 款, 請 於 當 日 傳 真 此 資 料 及 匯 款 單 至 : 中 華 民 國 物 理 學 會 收 ) 劃 撥 : 請 利 用 郵 局 劃 撥 單 繳 款, 請 於 郵 匯 單 上 註 明 入 會 申 請, 以 利 作 業 帳 號 : 戶 名 : 社 團 法 人 中 華 民 國 物 理 學 會 匯 款 : 請 利 用 銀 行 或 郵 局 匯 款 申 請 書 繳 款, 請 於 郵 匯 單 上 註 明 入 會 申 請, 以 利 作 業 收 款 行 : 華 南 銀 行 台 大 分 行 帳 號 : 戶 名 : 社 團 法 人 中 華 民 國 物 理 學 會 轉 帳 : 請 輸 入 華 南 銀 行 局 號 : 008 帳 號 : 請 填 上 轉 岀 帳 號 ( 後 5 碼 ): 團 體 會 費 : 一 年 6000 元 申 請 日 期 : 年 月 日 266 雙 月 刊 32 卷 3 期

83 2010 物 理 學 會 單 位 聯 絡 人 資 訊 單 位 連 絡 人 單 位 聯 絡 人 電 話 電 子 郵 件 信 箱 傳 真 海 洋 大 學 國 家 實 驗 研 究 院 臺 灣 大 學 台 灣 師 範 大 學 文 化 大 學 東 吳 大 學 淡 江 大 學 輔 仁 大 學 陽 明 大 學 中 研 院 中 央 大 學 中 原 大 學 核 能 研 究 所 國 研 院 儀 器 科 技 中 心 清 華 大 學 交 通 大 學 同 步 輻 射 中 心 中 興 大 學 東 海 大 學 逢 甲 大 學 彰 化 師 範 大 學 嘉 義 大 學 中 正 大 學 成 功 大 學 中 山 大 學 高 雄 師 範 大 學 高 雄 大 學 東 華 大 學 中 華 民 國 陸 軍 軍 官 學 校 國 防 大 學 中 正 理 工 學 院 林 泰 源 ( 光 電 所 ) (02) 陳 文 華 ( 院 長 ) (02) 熊 怡 ( 物 理 系 ) (02) 郭 瑞 年 ( 凝 態 中 心 ) (02) 高 賢 忠 ( 物 理 系 ) (02) 黃 信 健 ( 物 理 系 ) (02) 任 慶 運 ( 物 理 系 ) (02) 曾 文 哲 ( 物 理 系 ) (02) 徐 進 成 ( 物 理 系 ) (02) 高 甫 仁 ( 生 醫 光 電 工 程 所 ) (02) 吳 茂 昆 ( 物 理 所 ) (02) 賀 曾 樸 ( 天 文 所 ) (02) 周 翊 ( 天 文 所 ) (03) 黎 壁 賢 ( 物 理 系 ) (03) 孫 慶 成 ( 光 電 系 ) (03) 黃 定 維 ( 物 理 系 ) (03) 艾 啟 峰 ( 物 理 組 ) (03) 蔡 定 平 (03) 張 祥 光 ( 物 理 系 ) (03) 孔 慶 昌 ( 光 電 所 ) (03) 趙 天 生 ( 電 物 系 ) (03) 郭 浩 中 ( 光 電 所 ) (03) 林 俊 源 ( 物 理 所 ) (03) 黃 迪 靖 ( 研 究 組 ) (03) 林 中 一 ( 物 理 系 ) (04) 楊 安 邦 ( 物 理 系 ) (04) 周 哲 仲 ( 光 電 物 理 所 ) (04) 郭 西 川 ( 物 理 系 ) (04) 羅 光 耀 ( 應 物 系 ) (05) 魏 台 輝 ( 物 理 系 ) (05) 盧 炎 田 ( 物 理 系 ) (06) 周 雄 ( 物 理 系 ) (07) 林 財 庫 ( 物 理 系 ) (07) 胡 裕 民 ( 應 物 系 ) (07) 李 大 興 ( 物 理 系 ) (03) 洪 偉 清 ( 物 理 系 ) (07) 陸 開 泰 ( 應 化 系 ) (03) tylin@mail.ntou.edu.tw shannon@narl.org.tw yhsiung@phys.ntu.edu.tw raynien@ntu.edu.tw hckao@phy.ntnu.edu.tw hchuang@faculty.pccu.edu.tw rency@scu.edu.tw wjtzeng@mail.tku.edu.tw @mail.fju.edu.tw fjkao@ym.edu.tw mkwu@phys.sinica.edu.tw pho@asiaa.sinica.edu.tw yichou@astro.ncu.edu.tw pikyinlai@yahoo.com.tw ccsun@dop.ncu.edu.tw dwhuang@phys.cycu.edu.tw cfai@iner.gov.tw chief@itrc.org.tw hkchang@phys.nthu.edu.tw akung@ee.nthu.edu.tw tschao@mail.nctu.edu.tw jyhuang@faculty.nctu.edu.tw ago@cc.nctu.edu.tw djhuang@nsrrc.org.tw cylin@nchu.edu.tw abyang@thu.edu.tw choucc@fcu.edu.tw scgou@cc.ncue.edu.tw twei@phy.ccu.edu.tw ytlu@mail.ncku.edu.tw ytlu@mail.ncku.edu.tw t1603@nknucc.nknu.edu.tw tk101@nknucc.nknu.edu.tw yrnhu@nuk.edu.tw dslee@mail.ndhu.edu.tw hung0602@ms14.hinet.net ktlu@ccit.edu.tw (02) (02) (02) (02) (02) (02) (02) (02) (02) (02) (02) (02) (03) (03) (03) (03) (03) (03) (03) (03) (03) (03) (03) (03) (04) (04) (04) (04) (05) (05) (06) (07) (07) (07) (03) (07) (03) 聯 絡 人 任 務 : 1. 搜 集 各 單 位 修 改 物 理 學 會 章 程 及 章 程 施 行 細 則 意 見 2. 吸 收 新 會 員, 整 理 會 員 資 料 並 代 收 會 費 / psroc.phys.ntu.edu.tw / PHYSICS BIMONTHLY 267

84 高 純 度 液 態 工 業 醫 療 氣 體 氦 氣 和 液 氦 氮 氣 和 液 氮 氧 氣 和 液 氧 氬 氣 和 液 氬 HE (GAS & LIQUID) N 2 (GAS & LIQUID) O 2 (GAS & LIQUID) AR (GAS & LIQUID) 氫 氣 H 2 二 氧 化 硫 SO 2 混 合 氣 MIXED GAS 特 殊 氣 體 SPECIALTY GAS 供 應 各 種 鋼 瓶 調 壓 閥 液 態 貯 槽 容 器 蒸 發 器 配 管 工 程 等 並 提 供 有 關 技 術 服 務 和 諮 詢 服 務 電 話 :(02) 傳 真 電 話 :(02) 公 司 地 址 : 北 縣 三 重 市 中 正 北 路 560 巷 100 弄 19 號 268 雙 月 刊 32 卷 3 期

85 物理雙月刊 雙月刊 32 3 本期目錄 186 編者序 羅志偉 188 脈衝雷射引發奈米金屬粒子的超快結構動力學 湯朝暉 戴伯澤 於平 197 超短脈衝雷射在超快動力學研究之應用 小林孝嘉 籔下篤史 羅志偉 203 結合飛秒雷射直寫技術與化學修飾方法 製作三維表面增強拉曼散射基板 許佳振 林建宏 黃家琪 杜名碧 巫晟逸 楊子萱 周禮君 張天立 林宏彝 甘宏志 208 飛秒雷射材料微奈米加工簡介 鄭中緯 吳秉翰 沈威志 林岑盈 214 非同步雙超快光纖雷射光梳之應用 劉子安 徐仁輝 陳曉陽 劉惠中 彭錦龍 221 超靈敏之飛秒光場量測 楊尚達 225 超快雷射於生醫影像之應用 林伯彥 高甫仁 卷 期 2010 年 6 月 卅二卷三期 186 物理專文 超快光學 PHYSICS BIMONTHLY 超快光學 232 科學家的生活隨想 232 幸蒃蒃福 林秀豪 234 本月物理史 卡諾 Sadi Carnot 發表熱機的專文 蕭如珀 楊信男 查兌克 James Chadwick 描述中子的發現 蕭如珀 楊信男 238 物理新知 哈柏太空望遠鏡利用弱重力透鏡效應確認宇宙膨脹正加速 Meow Yi-Hong Hsu 普朗克衛星新影像揭露恆星形成過程 Meow Yi-Hong Hsu 太陽上有 蝴蝶效應 你也看得見 Lauren 天上的星如海邊的沙 Lauren 碳奈米管讓超穎材料威力大增 郭西川 利用 STM 式接面擷取太陽能 郭西川 以雷射和綠茶殺死癌細胞 賽逸昕 小電子推得動大原子 蘇俊鐘 物理奧林匹亞競賽試題與解答 林明瑞 國內研討會消息 九十九年六月 利用超快照相機 ( 激發探測技術 ) 拍下電子 聲子及自旋之快速變化過程 261 學會消息 中華民國物理學會會議記錄 中華民國物理學會連絡人 psroc.phys.ntu.edu.tw 物理雙月刊32-3_ indb /12/23 下午 07:05:19