實驗技術與原理

(Valance band)躍遷至導電帶（Conduction band），而遺留一個電洞 在價電帶的過程，原則上，任何活躍的粒子入射到半導體上，它都會

(nonradiative)兩種方式。在非輻射性的放光過程中，因為結合而釋

量交換，如果是彈性碰撞，物質受到頻率

ω ₀

^{入射光極化後，再發射}

位置的振盪不為零時，即：

率而有所不同，對於不同的物質，特定波長的光源可能引起某些訊號 強度異常的增加，特別在激發能量趨近樣品的能階時，就會形成共振 現象(resonant enhancement)。

【2.2】

對於液體化合物，它的強度只有入射束的 1/100,000.拉曼譜線的 共焦掃瞄顯微鏡(Confocal scanning microscope)，其特色在於透過

「共焦」的理論可以有效提高光學顯微鏡的解析力【2.4】。共焦顯微 系統在經過不斷改進與研究，才於1987年有商業化儀器出現。隨著近 幾十年雷射廣泛應用與電腦性能的快速提升，使共焦顯微鏡技術更加 成熟，在生物醫學上的3D顯微斷層掃瞄也是其應用之一。【2.5】

在1884 年Ernest Abbe指出【2.6】，傳統光學顯微鏡受到光波繞 射的影響，會使解析的能力受到限制。而其最小解析範圍d可藉 聚光至感測器所用的物鏡光孔穴(optical aperture)的半角，

N.A.

為

數值孔徑(numerical aperture= sin

θ d

n

⁼

f

^{，d 為孔徑，f 為} 光經由物鏡收斂經分光鏡片 (Beam splitter) 分光和聚焦透鏡的聚 焦，通過光路中的共軛焦針孔(confocal pin hole)將訊號光導入光 偵測器(Photon Detector)偵測反射光強度。其中共焦針孔的設置可

有效阻擋來自非物鏡聚焦區域(Reference Plane)的雜光，並精確的

（3）多功能插管系統（或VTI，Variable Temperature Insert）、（4）

大口徑杜瓦瓶（Dewar vessel）儲存槽、（5）光譜儀、（6）光偵測 器。利用上述的儀器並搭配所需雷射源，藉由電腦Labview的控制系 統，可量測在接近絕對零度環境下，變化外加磁場強度及以不同能量 激發得到磁光（Magneto-photoluminescence）訊號。

實驗中我雷射光源的選擇主要有兩種類型，一為變波長的摻鈦藍 寶石連續波雷射（Ti:sapphire CW Laser），另一種是固態雷射。摻 鈦藍寶石雷射可調變範圍在紅外光區的700 nm到1000 nm，功率大約為 1 W。固態雷射的波長有在綠光的532 nm與在藍光的488 nm，功率都大 約在為50 mW，由於樣品吸收區在可見光範圍，遂使用較高能量的固態 原廠規格雖只有圖示的600 nm到1900 nm（圖2.4），但實際使用在380 nm到2400 nm耗損率都還在可接受範圍。

光纖在進入儲存槽的低溫環部分，先經過薄壁鋼管，用以固定與

保護光纖，而在光纖的外圍則佈滿8根直徑約600μm的光纖叢，用以收 設備，最低溫可達24 mK、並在100 mK有80 W冷卻功率的稀釋致冷系統

（Dilution System）。

我們將光纖叢的訊號出口排列為一字形，如圖2.6，其形狀配合 狹縫形狀藉以提高收光率與訊號強度。收集到光激螢光後，在光纖叢 的另一端出口，以F值9 cm（M¹）和20 cm（M²）的透鏡收斂聚焦，如圖 2.6。M¹透鏡是將發散的螢光收斂為平行光，M²透鏡則將平行光聚焦至

光譜儀狹縫上，進行分光。在到達光譜儀狹縫前，先放置濾鏡過濾檔 下雷射光波段，532固態雷射是搭配Color Filter，過濾600 nm以下的 光；488固態雷射則有488 nm Notch Filter；405固態雷射有擋住600 nm 以下的Band Pass Filter。

光譜儀的部分與共焦顯微量測系統相同，為JOBIN YVON公司的 Triax320，不同處在於搭配的光柵不同。當訊號光進入光譜儀後，先 經凹面鏡收斂到光柵上，透過光柵分光後藉由出光口狹縫的篩選可得 到精確訊號，由連接在出口狹縫處的光偵測器量測，如圖2.7。內部搭 配的三個光柵，最佳效率中心Blaze分別為：500、900、1200(nm)，其 光柵密度與使用範圍分別如圖表2.8，500 nm和2000 nm的其效率分佈 分別如圖2.9、圖2.10。

我們的光偵測器有兩種選擇，一為光電倍增管（Photo-

multiplier Tube，PMT），另一個為SYMPHONY公司的IR-CCD（near Infrared light Charge Coupled Device）。CCD的材質為In/Ga/As，

屬於液態氮冷卻（LN² cooling），具有1024個畫素（Pixel format），

其最佳效率的範圍為800 nm到1700 nm，如圖2.11。光電倍增管的材質 同樣為In/Ga/As，使用中也需液態氮冷卻，其工作範圍為300 nm到 1750 nm，量子效率分佈如圖2.12，偵測反應雖沒有CCD來得快，但除 了本身具有放大光電子訊號的優點外，可搭配鎖相放大器過濾雜訊以

增加光解析度。透過兩台偵測器的交互使用，讓我們可以收集到300nm

～1750nm，提供我們作為分析的依據。

在電子儀器方面，主要為與斬光器連結的前置放大器與鎖相放大 器。前置放大器的優點在於放大電子訊號的能力較好，而鎖相放大器 則專司雜訊的處理。鎖相放大器可用來量測極小的交流訊號直至數個 nV，甚至在訊雜比極差的條件下，訊號被比它大數千倍雜訊掩蓋時，

仍能做正確的量測。其的優點在於利用為很窄的頻寬，將電路特定的 頻率與相位抓出，並過濾掉雜訊去準確量得訊號。而鎖相放大器之所 以能將電路中特定頻率、相位鎖住，是因其具有PSD(phase sensitive detector)。

其鎖相的量測是利用一組參考頻率方波，頻率f¹，如下圖：

考慮輸入一個e¹訊號：

π ϕ

= +

1 1

sin(2

1

)

e E f

₁

與一個e²參考訊號：

圖2.1：拉曼、史托克、反史托克光譜示意圖。

圖2.2：共焦顯微鏡原理示意圖。【2.7】

圖2.3：雷射光源聚焦架設。

圖2.4：光纖傳輸效率圖.

圖2.5：光纖導入樣品放置空間圖。

圖2.6：一字形光纖叢出口。

圖2.7：光譜儀Triax320的內部光路圖。

Blaze(nm) 500 900 2000 Groove

Density(1/mm)

1200 1200 300 Spectral

Range(nm)

360～1250 600～1600 1500～4500

圖表2.8：光譜儀內光柵密度與使用範圍。

圖2.9：Blaze

500 nm光柵效率分佈圖。

圖2.10：Blaze2000 nm光柵效率分佈圖。

Wavelength (μm) 

1 2  3 4

Re la ti ve  Ef fi ci en cy (% ) 

5

圖2.11：

IR-CCD工作量子效率圖。

         

 

Wavelength 

Ca thode    Ra dian t  Sensitivity   (mA/W)

圖 2.12：編號 R5509-73 為光電倍增管的工作量子效率圖。

 

2-4 References：

【2.1】B. Herman, “Fluorescence Microscopy ＂, Springer

【2.2】Kittel, “Introduction to Solid state Physics 7^th＂

【2.3】

【2.5】T. Yamazaki, I. Komuro, and Y.Yazaki, J. Mol. Cell CArdiol.

27 (1995) 133.

【2.6】M. Born et alibi, “Principles of Optics:＂Oxford, Pergamon Press,1980.

【2.7】http://www.zeiss.de/

【2.8】Chiang,Ke-Yu Thesis：Studies of depth profiles in semiconductor nanostructures and setting up a time-resolved system for investigatig spin relaxation in semiconductor nanostructures

在文檔中 摻鈷氧化鋅奈米線之光學特性研究 (頁 29-48)