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Ｘ光共振腔的新「視」界
97/11/10
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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
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Born, M. and M. Wolf (1999) Principles of Optics, 7th Ed., Chapter 7. Cambridge University Press.
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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.
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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.
