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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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雙光梳絕對光頻量測 諾貝爾級的關鍵技術

王秀芳

度量衡的發展,對於人類文明來說可謂十分重要,
舉凡時間、長度、重量、座標、溫度、濕度等,都能
影響人類社會的活動與秩序。所以從古至今,
人們不僅統一時鐘與尺的刻度,確立重量的計量單位,
也測量出座標、溫濕度的衡量標準, 而且還要不斷追求精準。
而今,面對沒有刻度的雷射光譜學頻率量測,
工研院的雙光梳絕對光頻量測技術,不只準確,還要做到超精確!


充斥在日常生活中的度量衡單位,如公尺、公斤、公里……等等,我們都習以為常,但就是有了這些計算單位,社會才能井然有序運作,減少不必要的紛擾。舉個淺顯的例子:公有市場放置了「公秤」,讓斤兩問題有了公判,因此市場每天的買賣能安然進行。但在基礎科學界,一套簡易又精確的光頻量測方法――就像人類社會的度量衡單位一般,卻讓科學家傷透了腦筋幾十年!
隨著科技的演進,訊號的傳輸方式從較早的微波傳送,逐漸轉變成為具有更高效率的光傳輸,為確保傳輸品質,其中光頻率的量測顯得格外重要。雖然光頻量測與人們日常生活的關連性看似不高,但科學家們仍努力不懈地積極發展光頻量測,無非就是希望促進基礎科學研究的進步與精確度,以達到科學發展最終的目的:造就人類福祉。

現在,工研院量測技術發展中心研發的「雙光梳絕對光頻量測技術」,便可以讓科學家們少長許多華髮。工研院量測中心標準與技術發展組,長度研究室研究員彭錦龍博士表示,「雙光梳絕對光頻量測技術」採用飛秒鎖模雷射技術,不但可以更簡易、更精準地測量光頻率,而且還易於攜帶。儘管光頻率的量測技術目前多使用在基礎科學界,但是未來的應用範圍很大。

與諾貝爾大師並駕齊驅

目前在國際上,已有德國Menlo Systems公司,將雷射光梳測頻系統導入商業化市場。這家公司是由2005年的諾貝爾物理獎得主韓希(Theodor W. Hänsch)等人在2001年成立,同樣是採用雷射光梳頻率(optical frequency comb)技術。最近韓國的標準實驗室KRISS(Korea Research Institute of Standard and Science),便以新台幣1,200萬元向Menlo採購雷射光頻量測儀器。

既然雷射光頻量測儀器已有了領導廠商,那麼,台灣的「雙光梳絕對光頻量測技術」的競爭優勢又在哪裡?

「雙光梳是關鍵,」彭錦龍表示,工研院採用「兩台」光梳的飛秒鎖模雷射來量測光頻率,稱得上是全世界首用、首開發。光梳就像是一把量測頻率的尺,但是這把尺上並沒有刻度,如何把刻度標定出來呢?雙光梳的技巧提供了簡便的解決方法。彭錦龍進一步解釋,雙光梳的原理有點類似游標卡尺的主尺與副尺,主、副尺有不同的刻度。這樣的好處是在量測時,刻度的標定不會受到待測雷射頻率擾動的干擾,可以準確地將頻率刻度標定出來。

彭錦龍說,要簡化光梳光頻量測系統,高重複率可以有較佳的優勢,而製造高重複率就是know-how所在。以Menlo所推出的光纖雷射光梳系統為例,其重複率為250MHz,而雙光梳絕對光頻量測技術已可與其並駕齊驅,「到2010年,我們將採用非線性偏極旋轉技術,達到500MHz的重複率,」彭錦龍自信地說。

更精確 卻更輕便

走進實驗室,看見光纖雷射光梳的雷射頭,體積類似15吋的筆記型電腦,可攜性高、走到哪可帶到哪,與一旁體積龐大,須請搬家工人搬遷的鈦藍寶石雷射相較,雙光梳絕對光頻量測技術儀器擁有絕佳的競爭優勢。彭錦龍強調,雙光梳絕對光頻量測技術的目的,就是要去除以往複雜的雷射系統,耗時、耗經費、耗人力的缺點,只要一套機器即可搞定。

談起當初怎麼會選擇雙光梳絕對光頻量測技術進行研究,彭錦龍笑笑表示,由於1999年曾有機會至國外參觀光頻量測技術,在2001年時,甚至還曾到國外的相關實驗室進行客座研究。所以,回國後,便在2002年提出發展絕對光頻量測技術的計畫。經過這段時間的研發與努力,甚至後來看到2005年獲得諾貝爾物理獎的三位科學家,也是以雷射光學為研究主軸獲獎,確實也證明了彭錦龍與研究團隊選擇以雷射光梳為基礎的研究方向,相當具有國際觀。

兼具技術及成本優勢

雖說雙光梳絕對光頻量測具有極大的技術優勢,但是在與廠商洽談技轉合作時,遭到閉門羹是常有的事。彭錦龍苦笑地說,因為這套技術與台灣的產業發展特性是完全不同!台灣擅長大量、快速生產的模式,所以適合生產NB、PC,也以此聞名於世。而當廠商聽到這套技術需要長期研發的投入,屬於量少、單價近千萬的產品時,大多打了退堂鼓!

對於國內合作洽談的不順利,彭錦龍並不氣餒,反而是把目光轉向國際市場,希望獲得東南亞地區的國家標準局青睞。彭錦龍表示,「我們透過國際研討會的發表,再加上專利的累積,累積實力與國際競爭力。」目前新加坡國家標準實驗室已在籌劃購買一套光梳測頻系統,彭錦龍的團隊也準備要競標,接下來的目標則是印度國家標準局,可望明年底有機會去競標,而泰國、馬來西亞也都在推廣的藍圖之中。

彭錦龍表示,目前國內雖然沒有合作廠商,但工研院已自行開發出模組,包括雷射頭(laser head)、雷射驅動器(laser driver)以及雷射穩頻電線路。因此,接到訂單後,約需三至四個月的時間,便可出貨。此外,以Menlo售給KRISS的同等級光頻率量測儀器相較,「我們的功能不輸給它,但要價相對便宜許多。」彭錦龍認為,雙光梳絕對光頻量測技術具有價格的優勢,是它另一項重要的競爭優勢。

目前雙光梳絕對光頻量測技術的應用多在基礎科學,但是彭錦龍強調,其應用範圍很廣,除了本身的雷射光譜學中的光頻率測量,還可以應用在光學原子鐘、呼吸分子成分分析(可用於診斷疾病)、光纖通訊、雷射雷達(LIDAR,用於定向與測距)等,國外也都已經在著手研發中。對於雙光梳絕對光頻量測技術未來的廣泛應用,應是指日可待。

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