清華電機團隊世界首創利用「光絲」產生極紫外孤立埃秒脈衝

【發布日期】2026-5-8

清華電機團隊世界首創利用「光絲」產生極紫外孤立埃秒脈衝

讓雷射「自己變短」　推進半導體EUV檢測與超快科學

國立清華大學電機工程學系副教授陳明彰研究團隊，近期於超快光學與極紫外光（EUV）領域取得重要突破，世界首創利用「filamentation（光絲化）」機制直接產生高品質孤立埃秒脈衝（Isolated Attosecond Pulse, IAP），為桌上型超快EUV光源開啟新方向。團隊指出，這類桌上型同調EUV光源未來在半導體先進製程中具有高度潛力。由於半導體元件中的電子變化發生在極短時間尺度，孤立埃秒脈衝可作為「瞬間探針」，即時觀察電子運動與材料反應；而EUV超連續光譜則能同時提供多種能量範圍的資訊，有助於進行薄膜分析、缺陷檢測、光學量測與奈米材料研究。隨著台灣半導體製程持續朝向EUV微影與先進奈米節點發展，利用桌上型EUV光源進行材料與元件檢測，將可能成為未來重要技術方向之一。

埃秒（attosecond）是十億分之一的十億分之一秒，這種極短光脈衝被視為觀察電子運動的「超高速閃光燈」，能讓科學家直接研究原子、材料與半導體中的超快電子動態。

傳統上，要產生高品質的孤立埃秒脈衝，通常需要非常複雜的光學系統與精密調整。然而，清華團隊此次發現，當高強度雷射進入氣體後，會形成一條細長且穩定的「光絲（filament）」，在這段傳播過程中，光脈衝會自然被壓縮、空間模式也同步被淨化（self-cleaning），就像光在傳播過程中「自己變得更短、更乾淨」。

研究團隊利用這個現象，成功將原本約 4.7 飛秒（fs）的雷射脈衝，自然壓縮至約 3.5 飛秒，並進一步產生高對比、高穩定度的孤立埃秒脈衝。這項突破的重要性，在於它提供了一條更簡單、更穩定的路徑，讓產生 IAP 與 EUV supercontinuum 不再需要高度複雜的系統調校。

研究也首次證明，主流高功率 Yb（ytterbium）雷射系統，搭配 filamentation 機制後，可以直接產生高品質孤立埃秒脈衝，朝向「turn-key（即開即用）」的桌上型埃秒光源邁進。這代表未來高穩定、高重複率、低維護需求的桌上型埃秒EUV光源，有機會逐步從大型實驗室走向更廣泛的學術與產業應用。

此外，這項研究的重要性也獲得國際學界關注。《Nature Communications》特別邀請美國 Ohio State University 研究人員 Omair Ghafur 撰寫 Comment 專文，評論此成果如何利用 filamentation 所形成的自組織（self-organizing）非線性機制，自然地完成空間淨化、自我壓縮與相位匹配控制，使孤立埃秒脈衝的產生不再高度依賴複雜光學閘控系統。評論中更指出，這種方法有望降低埃秒光源技術門檻，推進桌上型超快EUV光源的普及與實際應用。

圖一｜「光絲」輔助孤立埃秒脈衝產生機制示意圖。高強度雷射在半無限氣體腔體（semi-infinite gas cell）中傳播時，因克爾效應自聚焦與電漿散焦之間形成動態平衡，進而產生穩定的「光絲」（filament）。在傳播過程中，雷射脈衝會自然發生自我壓縮（self-compression）與空間淨化（spatial cleaning），並在特定時間窗內達成相位匹配（phase matching），進一步產生高對比的孤立埃秒脈衝。此機制提供一種更簡單且穩定的桌上型極紫外光超快光源新路徑。圖片來源：改編自 Ghafur, Nature Communications 17, 3502 (2026) 及 Nature Communications 17, 3501 (2026)

圖二｜清華大學陳明彰教授研究團隊。團隊致力於超快雷射、極紫外光（EUV）與埃秒科學研究，近期發展 filamentation-assisted 孤立埃秒脈衝（IAP）技術，利用光在氣體中傳播時的自我壓縮與空間淨化效應，推進桌上型同調EUV光源於超快科學與半導體檢測之應用。左起為簡佑恩、蔡明憲、蔡嘉倫、梁安媛與陳明彰。

圖三｜陳明彰教授與西班牙 Salamanca 大學研究團隊合影。本研究由清華大學團隊主導實驗，並與西班牙團隊合作進行理論模擬與驗證，共同完成 filamentation-assisted 孤立埃秒脈衝（IAP）研究。由左至右為：(1) Enrique Conejero Jarque、(2) 陳明彰、(3) Carlos Hernández-García、(4) Julio San Román、(5) Javier Serrano、(6) Marina Fernández-Galán。

清華電機團隊世界首創利用「光絲」產生極紫外孤立埃秒脈衝

相關連結