10⁵個的同調(coherent)光量子態之製造

我們知，一般合乎傅利葉轉換極限之鎖模脈衝雷射(Fourier transform limited mode-locked laser)之特性如圖四所示：就頻率軸而言，其每個模之頻率間隔與相角關係是固定的(mode locked)，但每個模之絕對頻率並不必然固定。圖中，”絕對頻率”可定義為從頻率等於零開始，等間隔D數起之某整數倍頻率。當每個模與絕對頻率之差距d不穩定時，代表時間軸上所見之相位是混亂的。當我們有辦法將雷射之d穩住，甚至令其等於零。則脈衝之相速度將會等於群速度，如圖四所示，我們稱之為光梳子雷射(femto-second comb laser)，這名詞源於早期人們所發展的光梳子產生器 (optical frequency comb generator)。如何得知雷射之d為多少？其做法為，將光送進”微結構”光纖 (micro-structure fiber)，加寬輸出光梳子之頻寬(參考資料15)， 其輸出一部分經過倍頻後，與原來之脈衝產生拍頻，用以鎖住圖五之d。其原理為：設通過”微結構”光纖後之光梳子，其第2n個模的頻率為:

而通過二倍頻晶體(SHC, 如BBO)之第n個模的倍頻頻率為:

因此，取此二道光的拍頻，並經由相位偵測器(PSD, phase-sensitive detector) 及同步頻率產生器(synthesizer)取出外差訊號(heterodyne)，便可藉由回授線路來做d之鎖頻。因此，若雷射有10⁵個模，便相當於同時有10⁵支彼此相位關係固定的穩頻雷射！或說，這雷射同時具備了10⁵種同調狀態(coherent state)光子(參考資料13)。

以上所謂”微結構”光纖 (micro-structure fiber)，或說，蜂窩光纖(honey-comb fiber)，為美國貝爾實驗室(Bell lab.)旗下子公司Lucent Technologies於1999年所研發成功。如圖六所示，他們在光纖核(core)的部份打洞，如同在波導管上人為的製造邊界條件，造成非線性光學四波混合(four wave mixing)相位吻合(phase matching)的條件，非常類似光子晶體(photonic crystal)之製造原理。因此，多頻率的雷射光在這種特殊的光纖中，不斷造成四波混合而增加其頻寬(參考資料15)。

這樣的超短脈衝雷射可以有以下幾個重要的應用：

                             i.                它將是新的、精緻的量子控制實驗的利器。

                           ii.                它可量化地、精緻地進行超短脈衝整型工程。

                          iii.                10⁵個彼此相互關聯的同調光子，非常有助於量子資訊科學(quantum information science)的發展。

                         iv.                ”超短”加上脈衝相位固定，當其與電子做交互作用時，電子急速加速所造成的輻射，及輻射對電子自己的影響，都變得較傳統巨大，因此傳統之非線性光學已不適用。新的”非線性光學”於焉誕生。

                           v.                有一種產生THz(10¹² Hz)光源的方法，利用半導體表面載子，受到超短脈衝雷射之調制而輻射出THz 光源。目前此種方法產生的THz 光源，同調性(coherence)並不令人滿意。若使用相位穩定的脈衝雷射，對THz光源將會有巨大的改善。