雷射系統之非線性光學動力學、量子漲落與混沌之研究(III)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

雷射系統之非線性光學動力學,量子漲落與混沌之研究

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中 華 民 國 93 年 2 月 3 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

雷射系統之非線性光學動力學,量子漲落與混沌之研究

計畫編號：NSC 91-2112-M-009-051

執行期限：89 年 8 月 1 日至 92 年 10 月 31 日

主持人：陳志隆

交大光電所

This report is the ending report to the National Science Councils for my personal projects in past three years..

Keywords: Research Project, Report Style,

National Science Council, chaos, laser dynamics, nonlinear dynamics,

quantum fluctuation, photon statistics 二、緣由與目的 基於個人的研究能力與興趣，在過去的 幾年裡一直從事非線性動力學方面的研 究。所以在”混沌之用之研究”三年計畫結 束後，在 89 年 8 月 1 日起到 92 年 7 月 31 日從事”雷射系統之非線性光學動力學,量 子漲落與混沌之研究”。這些計畫的目的除 了希望能就個人所長在學術研究上能有突 破外，另一方面也是訓練學生，除此之外 也企求個人的突破。 因 SARS 之故原定參加之國際會議無法 成行，為節省經費故延期至 92 年 10 月 31 日，以善用得來不易的經費支援。 三、結果與討論 在國科會經費支援下，我們從 2000 年 到 2003 年論文發表如下，其中部份或有其 它計畫(如太空計畫)支援，但國科會的經 費支援確是不可或缺，扮演極其重要如救 火隊的角色。 (*號者為我的學生)

65. Y-C Huang*, Y-J Hsu*, J-S Lih*, J-L Chern,

Transmission Characteristics of Deformed Split-Ring Resonators, Japan J. Appl. Phys.

( Letter) (accepted, in press)

64. A-Chuan Hsu*,**, Y-K Cheng*, K-H Chen*,

J-L Chern, S-C Wu, C-F Chen, H. Chang, Y-H Lien and J-T Shy, Far-Infrared Resonance in Split Ring Resonators, Japan J. Appl. Phys.

( Letter) (accepted, in press)

63. J.L. Chern, R.R. Hsu, H.T. Su, L. C. Lee, S.B.

Mende, H. Fukunishi, and Y. Takahashi, “Global Survey of Upper Atmospheric Transient Luminous Events on the ROCSAT-2 Satellite,” J.

Atmos. Terr. Phys. 65(5), 647-659 (2003). 62. T.-S. Lim*, J.-L. Chern and K. Otsuka,

Higher-order photon statistics of single-mode laser diodes and microchip solid-state lasers,

Optics Lett. 27, 2197-2199 (2002)

61. T-S. Lim*, J.-L. Chern, and K. Otsuka, Relative

intensity fluctuations of single-mode class B lasers, Optics Lett. 27, 1037-1939 (2002)

60. A-C. Hsu*, C.-F. Ho*, and J.-L. Chern, Tilting

tolerance analysis of broadband polarization-preserving beam displacer, Applied

Optics, 41, 5956-5962 (2002)

59. J.-L. Chern, S.-L. Hwong*, A-C. Hsu*, and K.

Otsuka, Mode part ion noise and chaos: an experimental exploration in a multimode microchip Nd:YVO4 solid state laser, Chinese J. of Phys. 40, 288-295 (2002)

58. J.-L. Chern, T. Kubota, T.-S. Lim*, and K.

Otsuka, 2002, Stokes-like emissions from laser-diode-pumped Nd-doped solid-state lasers, J. of Optical Society of America

(JOSA) B, 19, 1668-1675 (2002),

57. K.-H. Chang*, A.-C. Hsu*, and J.-L. Chern,

2002, Comment on "phase-shifting shearing interferometer," Optics Lett., 27, 509-510 (2002),

Joint time-frequency analysis of synchronized chaos, Europhys. Lett., 57, 810-816

55. J.-L. Chern, C.-C. Li*, and S.-H. Tseng*, 2002,

Blind phase retrieval and source separation of electromagnetic fields, Optics Lett. 27, 89-91

54. T.-H. Yang**, T.-S. Lim*, J.-L. Chern , and K.

Otsuka, 2001, Non-stationary characteristics of instability in a single-mode Nd:YVO4 laser with

fiber feedback, European Physics J. D, 15, 365-371

53. T.-S. Lim*, T.-H. Yang**, J.-L. Chern, and K.

Otsuka, 2001, Phase-noise-driven Instability in a single-mode microchip Nd:YVO4 laser with

feedback, IEEE J. Quantum Electron. 37, 1215-1225

52. K. Otsuka, J.-Y. Ko*, T. Kubota, S.-L. Hwong*,

T.-S. Lim*, J.-L. Chern, B. A. Nguyen, P. Mandel, 2001, Instability in a Laser-Diode-Pumped Microchip Nd:YAG Laser in a Π Scheme, Optics Lett. 26, 1060-1062

51. K. Otsuka, J.-Y. Ko*, S. Higashihara, and J.-L.

Chern, 2001, Pulsations induced by quantum interference in a microchip solid-state laser operating on a Λ scheme, Optics Lett. 26, 536-538

50. S.-L. Hwong*, J.-L. Chern, K. Otsuka, Y.-H.

Huang, R. Kawai, and K. Ohki, 2000, 1.5 µm emissions from laser-diode pumped Nd-doped microchip solid state lasers, Optics Lett. 25, 646-648

49. K. Otsuka, R. Kawai, S.-L. Hwong*, J.-Y. Ko*,

and J.-L. Chern, 2000, Synchronization of mutually coupled self-mixing-modulated lasers,

Phys. Rev. Lett. 84, 3049-3052 目前仍有論文送審中，部份如下:

Y.-J. Hsu* and J.-L. Chern, Transmission Characteristics of Smiling Pattern Resonators, JJAP (letter) (in review)

S.-C. Chu* and J-L. Chern, Characterization of the Subwavelength Variation Signature from Far-field Irradiance, Optics. Lett. (minor revision, resubmitted)J.-S. Lih*, Y.-C. Huang*, J.-L. Chern, Enhanced transmission through a subwavelength aperture in a metal foil by using a complementary patch, Appl. Phys. Lett. (in revison)J.-S. Lih*, Y. S. Wang*, M. C. Lu*, M. C. Chen*, Y. C. Huang*, K. H. Chen*, J.L. Chern and Li-E Li, “Breaking diffraction limit with

四、計畫成果自評

我個人極其感謝國科會自然處的經費支 援，這些年來的成果自評如下:

Laser Dynamics and Nonlinear

Dynamics:

先前研究成果主要在Laser Dynamics

與Nonlinear Dynamics。發表不少論文，其

中有兩篇以成功大學名義發表之Physical

Review Letters，多篇 Optics Letters 及 Europhysics Letters。解決或發現諸如 Controlling chaos, Synchronized Chaos, Coding Chaos, Laser Instability 等課題或現

象。在Laser Dynamics 的合作者為日本東

海大學大塚建樹教授(Prof. Kenju

Otsuka)，在 Nonlinear Dynamics 主要是跟 自己的學生或國內研究者。

New Laser Emissions

我們的實驗發現用高功率半導體雷射 打在Nd-doped 微晶片(microchip)固態雷

射可以產生1.5mm emissions。 是前人從未

看過，論文發表在2000 年的 Optics

Letters。這個 Emission 目前歸諸於

Stokes-like emissions 屬於 phonon assisted laser。比較完整的工作則在 2002 年 9 月 JOSA B 刊出，這個工作仍是與其日本東海 大學大塚建樹教授合作。大塚建樹教授 cross-check、驗證我們的發現。

Quantum Optics and Photon

Statistics 我們從二階到高階界定了單模半導體 雷射與固態雷射的光子統計特性，實驗、 理論解析與數值模擬全可兜在一起。發表 了二篇Optics Letters 我們所用的手法有異 於傳統 雖是從 Fokker-Planck 方程出發， 卻是用Gaussian closure 關係，轉成 moment 方程，接下來用解析數論連分數手 法往下求得解析解。解析數論連分數手法 是我十多年前慣用的。這個工作仍是與其 日本東海大學大塚建樹教授合作。

Signal Processing and Blind

Deconvolution 在未知信號分離領域中，Molegedy and Schuster 理論是用本徵值問題解法來處裡 未知信號分離。理論困難度高，與一般傳 統統計作法或類神經網路作法均不同。我 們找出最佳時間延遲參數如何決定，解決 Molegedy and Schuster 理論的一個重要問 題，並延伸到混合電磁波中未知相位重 現。論文發表在2002 年 Optics Letters。這 個工作是沒有國外合作者。我們並將其延 申到Blind image separation and restoration 2002 年在 OSA annual meeting 上發表。 1999 年與學生報名參加 Texas Instrument TI DSP(digital signal processor)比賽; 2000 年三月獲頒台灣區研究所組第一名，為舉 辦九屆以來第一次給首獎。 光學設計及分析 光學系統設計一般是作lens design。我 們的研究動機在於要對相關的光學系統有 更深刻的了解，以求能有好的光源乃至對 光訊號或影像作分析逆推物性。從而有進 一步的設計與分析乃至突破。目前已有一 篇Optics Letters，一篇 Applied Optics 論 文，兩篇在SPIE proceeding 論文

(International Optical Design Conference 2002)。這個光學系統設計及分析工作是沒 有國外合作者。另有數篇lens 專利申請中。 微波光電子學 微波光電子學的研究上主要是以 meta-materials 的研究為主線。目前在微波 上可以探測20GHz 以內響應(time domain 與frequency domain) 。沒有國外合作者。 目前在meta-materials、wide-band meta-materials、負折射率與繞射極限的突 破已有初步結果。除了微波波段外，另外

已在10.6um FIR 波段作出 negative

permeability，1.5um 波段的實驗正進行中。

二號科學酬載紅色精靈計畫的總主持人。 2002 年 8 月我改任教交大光電所並卸下總 主持人一職。中華衛星二號科學酬載紅色 精靈計畫是個國際合作與國內跨校合作的 計畫。我在任內的責任主要是維護整個計 畫的運作，權衡輕重、確保計畫的成功。 紅色精靈計畫科學酬載有一個selectable 六 個鏡片的CCD 影像儀、兩個陣列式光譜儀 (共 32 根光電倍增管)、光譜儀(含 6 根光電 倍 增 管) 與 獨 立 於 中 華 衛 星 二 號 的 主 控 器。2003 年底科學酬載已完成。2003 年 12 月我的任務告一段落，計畫執行結束。 五、參考文獻 [1] 行政院國家科學委員會，專題研究計畫成果報 告編寫須知，民國八十二年十一月。