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Ｘ光共振腔的新「視」界

97/11/10 19462

蔡永彬｜臺灣大學新聞研究所

2004 年，清華大學物理系、國家同步輻射研究中心和日本高輝度光科學研究所共同合作，利用我國建造在日本同步輻射光源「SPring-8」的臺灣專屬光束線所進行的「Ｘ光共振腔」實驗，不但是一個整合國內研究團隊，開發新實驗技術與方法的計畫，更是一項很成功的國際合作範例。

這項實驗的核心技術建立在「光學共振干涉儀」上。「光學共振干涉儀」是在 1897 年由法國科學家法布里（Charles Fabry）與珀羅（Alfred Perot）發明的，也稱為「光學共振腔」或「Fabry-Perot 共振腔」。它利用光的建設性干涉，可以大量提升光源的亮度和能量分辨率。

同步輻射中心研究員湯茂竹博士解釋，想像一道可見光射入介質，在介質兩端各放置一面反射鏡，入射光在這兩片反射鏡之間經過無數次的反覆反射，再穿透出去，就構成了「光學共振腔」。1950 年代雷射的發明，光學共振腔更是產生雷射不可或缺的重要機構之一。

但是相較於可見光，「Ｘ光」共振腔研究的起步就晚得多了。1960 年代起，雖然陸續有研究團隊在各大期刊發表關於「Ｘ光共振腔」的研究，但可信的實驗結果仍付之闕如。

湯茂竹博士回憶，這項跨國合作研究從 2001 年開始執行，前幾年的實驗並不成功。最初他們利用兩片矽晶體做為反射鏡，企圖觀察到入射Ｘ光束在兩片晶體間來回反射所產生的干涉條紋。他說，有別於光學反射，Ｘ光的正面反射機制是透過晶體繞射產生的，但是由於晶體的三維周期排列，當正面反射產生時，矽晶體內同時有24道繞射光，也因此增加了Ｘ光共振腔理論計算的困難度。

直到 2004 年，研究團隊重新評估了共振腔中光波的「縱向同調性」，並且運用微蝕刻技術，在矽晶體表面製作大小數十微米（μm）的共振腔，終於在那年6月成功地量測到波長小於 1 埃的Ｘ光 Fabry-Perot 干涉條紋。研究成果隨即發表在《物理評論通訊》（Physical Review Letters）、《物理評論Ｂ》（Physics Review B）等物理界重要期刊上。

此外，湯茂竹博士認為，這項實驗所運用的微蝕刻技術，為X光光學開拓了另一個發展的方向。這項技術可直接移植做為「干涉式Ｘ光相位顯微學」（phase contrast interferometeric X-ray microscopy）之用，在未來的Ｘ光繞射物理、Ｘ光光學、Ｘ光顯微學上，都會有很大的發展空間。

湯博士表示，「Ｘ光共振腔」是物理基礎現象的研究，可視為在共振腔中「捕捉」了一個Ｘ光量子，在學術上有非常高的重要性。但是由於矽晶體的最高反射率只能達到 87.5％，如何在材料上（例如使用鑽石等）再做突破，使反射率可達 95％以上，是未來的重要研究課題之一。

深度閱讀

Born, M. and M. Wolf (1999) Principles of Optics, 7th Ed., Chapter 7. Cambridge University Press.
Chang, S.L., Yu. P. Stetsko, M.T. Tang, Y.R. Lee, W.H. Sun, M. Yabashi and T. Ishikawa (2005) X-ray resonance in crystal cavities: realization of Fabry-Perot resonator for hard X-rays, Phys. Rev. Lett., 94, 174801.
Chang, S.L., Yu. P. Stetsko, M.T. Tang, Y.R. Lee, W.H. Sun, M. Yabashi, T. Ishikawa, H.H. Wu, B.Y. Shew, Y.H. Lin, T.T. Kuo, K. Tamasaku, D. Miwa, S.Y. Chen, Y.Y. Chang and J.T. Shy (2006) Crystal cavity resonance for hard X-rays: a diffraction experiment, Phys. Rev. B, 74, 134111.

資料來源

《科學發展》2008年11月，431期，74 ~ 75頁

同步輻射(22) 反射(23) 科發月刊(5210)

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