這一章節的內容將會介紹超快雷射(參考 Fig3-2)系統與兆赫波時域光譜分析法的 系統架構圖(參考 Fig3-3)。
首先我們利用波長為 532 奈米(nm)，能量為 4.5 瓦特(Watt)的綠光雷射經由透鏡 聚焦至鈦藍寶石晶體(Ti：Sapphire)。根據測不準原理(Uncertainly Principle)，
2
≥ 1 Δ
⋅
Δt ω ，我們知道若要產生超短脈衝雷射，則增益介質必需包含非常廣的放
射頻譜。而鈦藍寶石除了具備非常廣的放射頻譜，對於 532 奈米波長的雷射，又 具非常大的吸收係數(參考 Fig3-1)。所以大部份的研究室都以鈦藍寶石作為增益 介質。
Fig3-1：鈦藍寶石晶體的吸收光譜與放射光譜
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當增益介質輻射許多頻率的螢光後，經由克爾鎖模機制(Kerr Lens Mode Lock)便 可產生脈衝雷射。在雷射光的路徑中具有介質(鈦藍寶石)，當雷射光通過介質 後，各頻率的電磁波在介質中的相速度不同，會導致色散(dispersion)現象，而此 現象會使得脈衝被展寬。為了減少色散效應，我們在共振腔內放置稜鏡對(Prime
Pair)壓縮脈衝。接著超短脈衝經過輸出耦合鏡(output coupler)後，會再次出現色 散現象，於是我們在腔外再度放置一對稜鏡(稱為外腔補償)。最後，產生的超短 脈衝光源為中心波長(center wavelength)800 奈米，脈衝寬度(pulse width)100 飛秒
(femto-second)，重覆率(repetition rate)82 百萬赫茲(82 MHz)之脈衝雷射。
在 兆 赫 波 時 域 光 譜 法 的 系 統 架 構 中 ， 超 短 脈 衝 雷 射 先 通 過 二 分 之 一 波 片
(half-wave plate)再經由偏振分光稜鏡(Polarizing Beam Splitter)分成兩道光線，一 道為激發光(pump beam)，另一道為探測光(probe beam)。在實驗室中，我們使用 低 溫 砷 化 鎵 (Low-Temperature-Grown GaAs) 製 成 的 光 導 天 線 (photo-conductive
antenna)做為兆赫波的發射源。因為低溫成長砷化鎵製成的天線具有高載子漂移 速度(high carrier mobility)和高暗電阻(high dark resistivity)及次皮秒級的載子生命 期(subpico-second carrier lifetimes)等優點可以增強兆赫波發射的效率和兆赫波的 頻寬。當紅外光脈衝雷射入射至光導天線後會激發出電子-電洞對(electron-hole
pairs)，而電子-電洞對經由外加偏壓加速輻射出脈衝寬度為皮秒級的兆赫波。而 我們再利用超半球(hyper-hemispherical)矽透鏡(silicon lens)收集兆赫波，並且利用 超半球透鏡的幾何結構特性消除二次反射的訊號。在接收端我們也使用光導天線
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接收兆赫波。不同於發射端，在接收端我們直接利用兆赫波的電場做為外加偏壓 以加速載子，接著經由鎖相放大器(lock-in amplifier)記錄電流訊號。最後，再掃 描步進馬達記錄不同時間延遲的電流訊號，我們便可以得到兆赫波在時域的完整 波形。將時域的兆赫波訊號經由傅立葉轉換可以得到兆赫波在頻域的訊號強度與 相位資訊。
在量測金屬孔洞陣列時，我們將兆赫波通過空氣時的訊號做為參考光源，再將兆 赫波通過孔洞陣列後的訊號做為樣品光源(參考 Fig3-4)，最後將兩個不同的時域 訊號經傅立葉轉換相除後，便可以得到孔洞陣列在頻域上穿透率的特性。實驗中 的孔洞陣列樣品大部份是經由「鐳鋼科技有限公司」委托製作以及「東部微型電 機公司」提供。
Fig3-2：M1，M2 為高反射凹面鏡；P1，P2，P3，P4 為石英稜鏡；OC 為輸出耦合鏡
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Fig3-3：兆赫波時域光譜技術系統圖
MHA
Incident THz wave
Transmitted THz wave
Z
x
y
MHA
Incident THz wave
Transmitted THz wave
Z
x
y
Zx
y
Fig3-4：樣品擺放示意圖
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