在本章節裡我們對於實驗中所使用的各種儀器及其原理加以說明，從紫外-可見光的吸收光譜及穩定態(steady state)螢光光譜，到皮秒與飛秒的時間解析測 量系統，最後是樣品的處理及數據的分析方法。
2-1 紫外-可見光吸收光譜儀
在本實驗當中我們使用 Varian 公司的產品型號為 Cary50 的紫外-可見光光譜
儀來測量吸收光譜。儀器中所使用的光源為氙燈，其光區範圍是190~1100 nm，我們所使用的掃描速度為每秒1200 nm，其解析度為 0.25 nm。
本實驗的樣品可以分為液態溶液及固態薄膜兩種。液態的溶液部分，為了避 免在測量上出現吸收飽和的情況，我們視情形使用1 mm 及 1 cm 的石英比色管，
而溶液濃度均控制在 10-5 M 左右。測量前我們使用與該溶液相同的溶劑吸收光 譜作為基底線(baseline)，因此所測得的吸收光譜會將其視為背景值而扣除。
在固態的薄膜測量上，由於兩種奈米級的固態薄膜(TiO2、ZrO2)均有很好的 透光性，因此同樣使用穿透式的方法測量。相同地我們使用空白的半導體薄膜作 為基底線，在測得的吸收光譜中將其扣除。
2-2 螢光光譜儀
本實驗的螢光光譜測量使用脈衝式的二極體雷射作為激發光源，在打入樣品 後於90°方向上收光，並且加上必要的 long pass filter 以除去激發光源本身的干 擾。激發後產生的螢光經過透鏡收集進入光纖傳遞到CCD 光譜儀(USB2000-FLG, Ocean Optics)加以分光及偵測。偵測的波長範圍是 378~1050 nm，入射孔徑為 200 μm，解析度為 10 nm，偵測器為 2048-圖素線性 CCD 陣列(2048-element linear CCD array)。
2-2-1 CCD(Charge-Coupled Device)光譜儀
本實驗所使用的 CCD 光譜儀是由 Ocean Optics 所生產的 USB2000-FLG，
圖2-1 為該光譜儀內部結構示意圖1：
圖2-1 CCD 光譜儀內部結構示意圖。
其中各個元件的的功能介紹如下：
(1) SMA905 連接器(connector)，用以連接 CCD 和光纖，讓螢光能夠精確地進入 CCD 中。
(2) 固定的狹縫(slit)，控制光通量。
(3) 吸收濾鏡(absorbance filter)，其功能為過濾掉二級或者三級的入射光，及色彩 平衡。
(4) 準直鏡(collimating mirror)，將原本發散的入射光經由此鏡反射後成為準直的 光束進入光柵。
(5) 光柵(grating)，能夠將入射光按照波長區分開。
(6) 聚焦鏡(focus mirror)，將第一級反射的入射光聚焦後再反射至偵測器 (detector)。
(7) L2 偵測器收集透鏡(L2 detector collection lens)，能夠增加光的收集效率。
(8) OFLV 濾鏡，能夠避免二級或者三級反射光進入偵測器。
(9) UV2 升級偵測器(UV2 detector upgrade)，增加光譜儀的偵測範圍。
(10) 偵測器，由一線性的 CCD 陣列(array)所組成。
入射光會依(1)~(10)的路徑傳送到偵測器之中，最後轉換成數位訊號送入電腦中 得到我們要的螢光光譜。
2-3 時間相關單光子計數系統(Time-Correlated Single PhotonCounting , TCSPC)
在本實驗中對於時間解析的螢光衰減過程我們利用兩套系統來測量，時間相 關單光子計數系統是其中之一，從50 皮秒到奈米尺度的過程都能夠用這套系統 重現出來。
2-3-1 時間相關單光子計數系統的裝置圖及工作原理
我們所使用的時間相關單光子計數系統是由 PicoQuant 公司所生產的 Fluo Time 200，其工作原理如圖 2-2 所示2。藉由週期性的脈衝雷射將樣品激發並對 單一的光子加以收集，透過與雷射同步觸發的訊號(synchronization,SYNC trigger) 間的比較得到一相對時間，接著將每個光子到達的相對時間加以累計就能夠重現 出一螢光對著時間衰減的波形圖案。由於偵測器在每個週期都只會偵測到最快到 達的光子，因此如果在一個週期內出現兩個以上的光子會造成波形的改變而失 真，此現象稱作pileup effect3。所以實驗的條件必須是”每個週期中所偵測到的光 子數目遠小於1”才能夠準確地重現出樣品螢光隨著時間衰減的過程。
圖2-2 時間相關單光子計數系統工作原理
時間相關單光子計數系統的儀器配置圖如圖2-3 所示，我們所使用的激發光 源為脈衝式的二極體雷射(pulsed diode laser)，每個脈衝波的半高寬(full width half maximun，FWHM)約是 50 皮秒。在雷射輸出的同時，光源本身的控制器(driver ; PDL 800-B,PicoQuant)會送出一同步觸發訊號，經過分數式時間鑑別器(constant fractional discriminator，CFD)判別訊號的有效與否，接著由可調節式延遲器 (variable delay line ; 425A，ORTEC)調整進入時間相關單光子計數系模組
(SPC630 ,PicoQuant)的延遲時間。雷射激發源經過一光圈(iris)進入系統，藉由調 整光圈的大小能夠控制雷射光的通量，接著通過一面反射鏡與聚焦透鏡(focusing lens)將光源聚焦進入樣品槽(sample chamber)，而在反射鏡面上有兩個旋鈕用以 控制雷射光的入射方向。樣品的放光利用兩面透鏡加以收集後，通過一光圈調節
(perpendicular)、水平(horizontal)及魔術角度(magic angle)等，最後經過相減式的 雙光柵光譜儀(substractive double monochromator ; 9030DS，Sciencetech)後進入偵 測器。
圖2-3 Fluo Time 200 儀器配置圖。
偵測器為微頻道光電倍增管(micro-chanel plate photon-multiplier tube，MCP-PMT ; R3809U-57，Hamamatsu)，其輸出的電流經由一前置放大器(pre-amplifer)將訊號 轉換成正電壓值並放大達到時間相關單光子計數系統模組可以接受的範圍，接著 進入時間相關單光子計數系統模組進行訊號的計時工作。
圖 2-4 為時間相關單光子計數系統模組進行訊號計時的運作流程。利用兩個 分數式鑑別器分別判別螢光以及訊號有效與否並決定其到達的時間，再以標準訊 號(NIM)送入時間-振幅轉換器(time-to-amplitude converter，TAC)中。在 TAC 收 到螢光訊號以後，內部的電容便開始充電，直到下一個觸發訊號到達時才將充電 停止，並產生電壓輸出，所輸出的電壓正比於兩訊號輸入 TAC 的相對時間差。
最後以類比數位轉換器(analog-to-digital converter，ADC)將電壓振幅轉換為個別 的時間頻道(channel)，送入多頻道分析儀(multi-channel analyzer，MCA)進行個別 時間頻道的累計，完成一次單一光子的偵測。重複上述的步驟將單一光子持續地 計時與累積，便可將螢光隨著時間改變的過程完整重現。
圖2-4 時間相關單光子計數系統模組訊號計時運作流程。
2-3-2 時間相關單光子計數系統的組成元件
1. 激發光源-皮秒二極體雷射(picosecond diode laser)
我們進行時間相關單光子計數系統相關實驗時所使用的激發光源為
Picoquant 公司所生產的脈衝式二極體雷射 LDH-P-C 435，激發波長在 435 nm，
脈衝波的半高寬為59 皮秒。可由控制器選擇脈衝的重複率(2.5 MHz~40 MHz)及 調整雷射輸出強度。
2. 分數式時間鑑別器
時間鑑別器的作用在於辨別訊號是否有效，並且判定其到達的時間。一般的 時間鑑別器會設定一個門檻電壓(threshold)作為判別的標準，當外來的訊號強度 高過所設定的電壓時，便可被處發而被視為有效訊號；反之，如果輸入的訊號小 於該門檻電壓時，則會被視為電路中的雜訊而忽略之，如圖2-5 所示。
圖2-5 時間鑑別器根據門檻電壓判別訊號類別。
而分數式時間鑑別器判讀訊號到達時間的方式如下所述：將輸入的脈衝訊號分成 兩部分，其中之一的電壓振幅以固定比例縮小；而另一個電壓則以訊號反轉 (invert)的方式並且延遲 Td時間，此時前者的振幅出現在後者前緣相同振幅的位 置上，接著再將處理後的訊號加總，將電壓值為零的時間作為原始脈衝的到達時 間。
3. 時間-振幅轉換器
TAC 是一種電容裝置，功能類似精確的碼表，能夠精確地得到樣品被脈衝
雷射激發後，產生的單一光子到達時間。其作用機制如圖2-6 所示，在接受到「開 始訊號」時開始充電，直到接受到「停止訊號」時停止，並產生一類比輸出電壓，此電壓振幅正比於兩訊號的輸出時間差。
圖2-6 TAC 偵測單一光子的計時機制
在單一個脈衝週期中若是出現兩個光子，TAC 在接受到第一個光子後就會 開始充電，此時的TAC 形同「blind」，因此無法接受到第二個較慢到達的光子，
致使光譜不能完整地紀錄到實際的光子分佈而變形，相較於真實的光譜，在這種 情況下所得到的會是較快的衰減過程，為了避免發生這樣的情形，必須確定每個 激發脈衝所產生的螢光光子被偵測到的機率遠小於一，這樣才能避免 TAC 在同 一個週期中接收到兩個光子。因此，時間相關單光子計數系統的實驗條件必須使 螢光光子數小於脈衝重複頻率的 1/100，可藉由控制雷射光的強度及光圈(iris)大 小來調整。
TAC 有兩種充電模式：一種為正常的開始-結束模式(normal start-stop mode)，其開始訊號為同步觸發訊號，停止訊號則是螢光訊號。另一種為反轉的 開始-結束模式(reverse start-stop mode)，此時則反過來以螢光訊號為開始訊號，
同步觸發訊號作為結束。為了取得真實的訊號必須降低每個週期接收到光子的機 率，如果TAC 使用正常的開始-結束模式，在大多數的週期中都無法接收到光子
以後都能夠接收到結束的訊號，減少dead time(等待系統回到可進行下一回偵測 所需的時間)及提高讀取訊號的速率。
4. 類比-數位轉換器
類比-數位轉換器的功能是將 TAC 所產生振幅正比於光子到達時間的電壓轉 換為相對應的時間頻道(數位訊號)。
5. 多頻道分析儀
MCA 能夠將每次的螢光時間偵測結果紀錄在個別的時間頻道中，藉著重複 螢光時間偵測取樣，可將樣品螢光產生的時間分佈完整再現。時間頻道數目可經 由軟體調整，分別可以選擇4096、1024、256、64 個頻道。
6. 可調節式延遲器
TAC 所輸出的電壓會經由類比-數位轉換器轉換成其相對應的時間頻道並進 入多頻道分析儀儲存累計。各個頻道代表了不同的電壓值(時間差)，但由於頻道 的數目有限，所以需要利用延遲器調整同步觸發訊號進入 TAC 的時間來改變其 輸出電壓值，如此可在螢幕上呈現完整的衰減訊號。
7. 微通道型光電管
微通道型光電管包含了產生光子的陰極，毛細管平行堆疊而成的微通道平 板，以及接收訊號的陽極。在內徑為十微米(micrometer，μm)的毛細管內鍍上電 極材質，並在兩端加上高電壓，當電子進入毛細管內，則在管內進行放大，由於 放大過程只侷限於相當短的距離內，因此可得到相當好的時間解析度，在此系統 可達到30 皮秒以下。由於此單光子偵測器相當敏感，若突然間入射太多光子，
其結構相當容易被破壞，因此一般要求即使在不工作時也必須置於陰暗處，工作 時的入射光子數也被要求在每秒十萬以內。
8. 雙光柵光譜儀
如果系統所要求的時間解析度到達數十皮秒的範圍內，就必須考慮到光的路 徑所造成的影響，而此因素對於單光儀的影響尤其明顯。當一光束打在光柵不同 的位置時，其所產生的繞射光將因行經不同的光程而造成時間上的差異，為此利 用兩個光柵藉由相對的轉動以補償光行進時在時間上所產生之偏差。光柵適用的 波長範圍是 350-900 奈米，可選擇寬度為 0.5、1.0 及 2.0 毫米(millimeter，mm)
如果系統所要求的時間解析度到達數十皮秒的範圍內，就必須考慮到光的路 徑所造成的影響，而此因素對於單光儀的影響尤其明顯。當一光束打在光柵不同 的位置時，其所產生的繞射光將因行經不同的光程而造成時間上的差異，為此利 用兩個光柵藉由相對的轉動以補償光行進時在時間上所產生之偏差。光柵適用的 波長範圍是 350-900 奈米，可選擇寬度為 0.5、1.0 及 2.0 毫米(millimeter，mm)