推升脈衝光應用發展　中山大學創新超高週期手性光子晶體

里報.tw 記者：林家慶 / 高雄市報導發佈時間:2023-12-27 20:43:42

　　提到脈衝光，一般人通常聯想到去斑除皺等皮膚雷射美容，事實上，脈衝光的應用還包含各種光學、化學、生物學及材料學等科學研究，治療乾眼症的醫療雷射手術刀、瞬間慢動作攝影、雷射投影，以及製造工業複合材料與材料切刻。國立中山大學光電工程學系特聘教授林宗賢組成跨國研究團隊，突破現有膽固醇型液晶排列限制，研發出全新的「雙頻率場組裝」技術，達成超高週期光子晶體，有效推升脈衝光應用發展。創新研究獲刊於國際知名期刊「應用物理評論」（Applied Physics Reviews），並被選為特色文章（Featured Article）專題介紹。

　　此項研究由跨國研究團隊合作完成，成員包含美國耶魯大學博士後研究員陳君維、中山大學光電系博士生馮渟懋、吳致維、特聘教授林宗賢及美國賓州州立大學教授Iam Choon Khoo。研究團隊利用膽固醇液晶的特性，透過選擇合適的材料和手性（chiral）結構，實現在光子能隙邊緣進行脈衝調節，改變雷射光學特性。此種緊湊型元件不僅具有強線性色散和高光學非線性，還能簡化脈衝光調節過程中繁瑣的光學元件對準步驟和頻寬限制等問題，使應用範疇更加寬廣，未來可連結業界做技術轉移。

　　「目前現有的手性光子晶體（Chiral photonic crystals）存在光學損耗大、可調性有限、工作帶寬窄以及光學厚度不足等問題，再加上需要很多稜鏡、反射鏡及曲面鏡等昂貴的搭配元件來做調變，使得成本一直居高不下。」林宗賢指出，此項新創研究技術克服了前述困難，製作出厚度高、周期數更多的螺旋排列自組裝膽固醇型液晶（Cholesteric Liquid Crystals, CLC）；且相較於現有技術，成本大幅降低，對需要精確調變的學術領域研究助益良多。此項開發技術未來有機會可用於控制俗稱脈衝光的超快脈衝雷射（ultrafast laser pulses），進而應用於醫療、美容及各種其他領域。

　　林宗賢進一步解釋，此研究發展出「雙頻率場組裝（Dual-frequency field assembly, DFFA）」的全新技術，意味著一樣達到相同的效果，但所需的雷射強度可以減少6倍以上，降低光學耗損。依據不同目的需求，可以透過改變膽固醇型液晶混合物，來操作雷射的偏振調控和脈衝寬度，可調性大幅提昇。製作出的膽固醇型液晶工作帶寬夠大，相容於不同領域、不同規格及不同線寬的應用上，用途非常廣泛。獨步全球的膽固醇型液晶光學厚度，解決了脈衝光應用所需，且免除其他昂貴的搭配元件調變，節省經濟與時間成本。

　　林宗賢表示，一般情況下，膽固醇型液晶的流體特性僅允許通過分子自組裝製造排列良好的螺旋結構，厚度最多為幾十微米；但如要應用於偏振旋轉和切換，以及調變皮秒（10–12秒）至飛秒（10–15秒）脈衝光，則需要數百微米或更多的厚度。此項「雙頻率場組裝」全新技術，能夠在室溫下製造出穩定而排列良好的膽固醇型液晶，周期數達7000個周期，厚度高達2200微米，達到前所未見的光子應用所需厚度，突破現有技術，擴展可應用的界限。

　　「應用物理評論」（Applied Physics Reviews）為國際知名學術期刊，其2021年學術期刊影響力為19.527。期刊連結：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0139168

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