3-1 自相關儀
在架設激發探測的實驗系統中，我們首先必須架設一套自相關儀 光學系統，為了能改變兩個雷射脈衝之間的距離，因此此系統必須具 備時間延遲的裝置，一開始我們選擇了麥克詹達干涉儀（Mach Zender Interferometer）做為我們自相關儀的基本架構，見圖 2-2，此干涉 儀具有兩個優點：
1. 兩道光的路徑可以完全的分離，使受測物在安排時更有彈性。
2. 透明受測物較無多道反射光的干擾，而麥克森干涉儀的光路由於 來回都是同一條路，因此雜訊較大。
在麥克詹達干涉儀裡，我們利用兩個分光鏡，以及數個反射鏡，同樣 地，在自相關儀的部份，見圖 3-1，雷射光源，首先先經由一個 50/50 的分光鏡，光經由反射與穿透分成兩道光強度一樣的光，在兩個光路 徑上設置後向反射鏡（Retroreflector），並將其中一個架設在平移 台上，即為我們所需要的可調時間延遲，最後再由一個分光鏡將兩道 光合併，而為了要加上雙通道的斬波器（chopper），將光路做了一些 調整，此雙通道的斬波器將會在下面章節提到，
圖 3-1 自相關儀架構 BS1
BS2 Chopper
Delay Line
3-2 螢光生命週期顯微鏡架設
我們架設了一套顯微系統，結合時間解析與雷射掃描式顯微 鏡，具有影像的功能，建構在激發探測的原理下，如圖 3-2 所示，
首先由 Verdi 雷射產生 7.5W532nm 波長的綠光雷射，去 pumping 鈦藍 寶石雷射（由 Coherent 公司生產製造的 Mira900），可以產生的波長 範圍約從 750nm~930nm 的近紅外光（NIR），一般來說約設定在 780nm，
而此時功率約 1000mW，經過我們的自相關儀的裝置，同時間由斬波 器調變雷射光源，之後利用倍頻晶體（Second Harmonic Crystal）
產生倍頻光 390nm 的紫外光（UV），進入我們的雷射掃瞄系統，此掃 描系統是採用 Olympus 公司生產的 FV-300，因為此儀器內部具有 X-Y galvanometer mirror 可以將雷射光點作 X-Y 平面的掃描，同時間，
斬波器所調變的頻率作為鎖相放大器（Lock-in Amplifier）的參考 頻率經由物鏡聚焦於樣品上產生螢光，並由物鏡收光，再由光電倍增 管作為偵測器接收微弱的螢光訊號放大轉為電訊號，進入鎖相放大 器，則是可以將背景訊號與參考訊號不同的訊號加以濾除，最後，經 由電腦可以得到我們要的影像，而要達到生命週期的量測，則隨著調 動平移台上的前後距離，可以將兩道雷射脈衝光的脈衝距離自由調 整，並藉由每個時間點不同，螢光強度也不同，經由比對時間點螢光 大小，可以還原螢光的螢光衰減生命週期，即為本實驗架構的實驗方 法。
3-2-1 掃描式光學顯微系統
我們在螢光生命週期顯微鏡中的掃描機制，是使用 Olympus 公司 出產的 FV-300 掃瞄顯微系統[7]，此系統架構中的光學元件適合的雷 射光源，大約是在可見光 400~800nm 左右，與本實驗架構的 390nm 相 去不遠，並且其系統可變動性高，方便我們針對實驗需求進行改裝；
而此儀器具有 XY galvanomirrors，此 XY galvanomirrors 是利用步 進馬達控制，藉由兩面反射鏡在 X 方向與 Y 方向快速移動，可以完成 XY 平面的掃描，系統內部設定，一張 1024×1024 的圖約只需要一分 鐘，而考慮到光電效應的變化時間，以減低掃描單位的掃描速度，而 此時原有廠商設定的速度設定範圍已不敷我們實驗的需求使用，希望 可以得到 100Hz~2000Hz 的掃描頻率，所以我們可以利用外部驅動，
由一台訊號產生器連接到電腦內部控制掃描速度的單位，設定產生頻 率，由訊號產生器驅動控制掃描速度，進行慢速掃瞄，藉此可以配合 因為反應較為慢的光學現象，提供比較清晰的影像，細部構造見圖 3-3：
圖 3-2 螢光生命週期顯微鏡
3-2-2 雙通道（頻率）斬波器
本實驗中使用一個斬波器來調變光訊號，此斬波器是由 EG&G[8]
公司生產，見圖 3-4（1）（2），其特色就是擁有雙通道，同時有兩個 調變頻率，其內部有一個葉片，此葉片由一個馬達驅動，藉由一個鎖 相迴圈利用內部石英晶體振盪器或是輸入外部的控制頻率可控制轉 速，其中內圈有 11 個孔，外圈有 18 個孔，可以同時調變兩個光源，
那麼它有三個輸出頻率，包括 f 、1 f2以及兩個的相加項 f1+ ，f2 其中相 加項 f1+ f2可以讓我們在鎖相放大器上擷取到我們要的激發探測訊 號，而 f1與 f2可以個別地獲得激發光的訊號與探測光訊號：
假設設定總頻率 f1+ Hzf2 則 1 18
29
f = Sum× Hz （3-1）
2 11 29
f = Sum× Hz （3-2）
圖 3-5 是斬波器內部葉片的構造。
圖 3-3 FV-300 掃瞄單位
圖 3-4（1） Chopper 圖
圖 3-4（2） Chopper 規格
3-2-3 特殊光學元件
以下介紹幾個本實驗中的光學元件：
I. 倍頻晶體
倍頻晶體常見就是利用 LiNbO3、LiIO3、BBO、LBO、KTP[9]（磷酸氧 鈦鉀，KTiOPO4）、KDP（磷酸二氫鉀，KH2PO4）等材質所製成的，早 在雷射發明時，非線性光學晶體材料需具非中心對稱、高雙折射、高 光電係數，實驗室中使用的是 BBO 晶體，將 780nm 的雷射光通過此晶 體可以得到 390nm 的倍頻光，便可得到紫外光的範圍，進行我們的單 光子螢光實驗。
II. 分光鏡
我們使用 Newport 公司生產的分光鏡，型號為 MB.2 的非極化立方體 分光鏡，適用波長在 700~1000nm，穿透與反射比為 1：1，各佔約 45
％，此立方體是用兩個直角三角形合成，相結合的那面鍍上一層具寬 波長範圍的金屬介電混合分光效果，四面則是利用抗反射鍍膜，對於 所有波長範圍的表面反射率縮小，也因為這些鍍膜，所以雷射強度不 能太強。
3-3 瞬間穿透率量測顯微鏡
我們也設計了一套光學顯微系統，建立在激發探測技術上，建構 圖 3-5 Copper 旋轉葉片構造
此系統的目的，是為了要觀察半導體，例如矽，或是一些元件，探討 光對半導體物性的改變，以及電子與聲子之間的變化，此結構主要的 架構仍然承襲螢光生命週期顯微鏡的架構，我們做了些許的修改，並 且保留具有影像的功能。
如圖 3-6 所示，我們一樣利用 Verdi 雷射產生 532nm 的波長，經 由鈦藍寶石鎖模雷射產生約 800nm 波長的雷射，通過激發探測光學系 統，其中不同於螢光生命週期顯微鏡的架設，我們在激發光的路徑上 增加了半波片（Half-wave Plate），用來旋轉雷射極化方向，使兩道 光成平行或是垂直，同樣地，此時利用斬波器調變雷射光源，將其作 為鎖相放大器的參考頻率，之後將光導入掃描機制 FV300 中，做 X-Y 方向的掃描，經過物鏡聚焦在樣品上，這架構是穿透式顯微鏡的架 設，所以在穿過樣品後，先利用極化片濾除雜光，以純化我們要接收 的光，再利用光電探測器（Photodetector）接收光訊號，並轉換成 電流訊號，經由鎖相放大器濾除雜訊，最後利用電腦擷取影像。
此實驗的光路也做了些許的改變，如圖 3-7 所示，我們在其中一個光 路徑上，即激發光路徑，設置了一個半波片，經由這個半波片，以改 變激發光的極化方向，之後通過斬波器，再與探測光會合。
圖 3-6 穿透率量測顯微鏡架構
3-3-1 光電探測器
在本實驗架構中，由於光通過樣品之後，光強度依然很強，對於 不能接收太強的光電倍增管，可能會導致光電倍增管被破壞，所以我 們必須選擇適當的偵測器，由於在穿透樣品以後光仍然是雷射光源，
適合用光電探測器來接收光；我們使用 UDT 公司生產的 UV-100 型的 光電探測器，基本原理請參見附錄 C-4。
3-4 雙鎖相技術與方法
在激發探測這個實驗中，由於我們的光學系統裝置中，會有兩道 光束，我們便採用了一個具有雙頻的斬波器，此雙頻的斬波器具有兩 個通道，兩通道的頻率比 18 比 11，假設光經由偵測器接收，再利用 鎖相放大器濾除不要的背景雜訊，雖說我們的斬波器可以同時接收兩 道光束，但是當兩個光在接收訊號時鑑別率過低，以致於我們在判別 結果時，會有些許的麻煩，所以我們選擇嘗試新的架設方式，新的結 構是將兩台鎖相放大器串聯，並且使用兩台斬波器，調變光頻率，架 構圖見圖 3-8，當光分別經由斬波器調變光源，我們設定激發光光路 上的斬波器，頻率為 3kHz，而探測光的斬波器的頻率，則是與激
圖 3-7 光路圖(二)
發光的斬波器頻率相差十倍，使得兩個斬波器的訊號鑑別率提高，設 定在 300Hz，並且將激發光的斬波器頻率連結到第一台鎖相放大器作 為參考頻率，同時將探測光的斬波器連結到第二台鎖相放大器，相同 地，將其頻率作為參考頻率，此時，當我們的偵測器接收到光訊號以 後，將訊號聯結到第一台鎖相放大器的輸入端，再將訊號輸出端連接 到第二台鎖相放大器的輸入端，才將輸出端連結至電腦，在此架構 中，我們必須調整鎖相放大器上的參數，當第一台鎖相放大器擷取到 激發光的訊號，意即鎖住訊號時，此時利用軟體控制掃描機制固定在 一點上，光聚焦在樣品上，便可以確認接收的訊號是正確的，之後，
我們才開始調整第二台鎖相放大器，調整參數，鎖住探測光的訊號，
此時我們可以獲得靈敏度相當高的偵測訊號，當我們調整延遲時間的 裝置，即平移台，當兩個光的脈衝重疊時，可見各別的鎖相放大器上 的值，可達最大值，而當兩個光源漸漸分離時便可見到數值逐漸降 低，這便是我們的偵測方法，由於這樣的偵測方式會導致掃描無法順 利擷取到影像，因此仍須再進行一些修改，以達到獲得影像的目的。
圖 3-8 雙鎖相技術
第四章 實驗結果
上，也有相關研究是用在染料雷射上，圖 4-1（1）是 Rhodamine 6G 型染料的其中一種的化學鍵結結構，一般來說，其吸收波長約在 488nm 到 580nm 左右，放光則是大於 500nm。II. Qdot 605
Quantum dot 染料是近幾年相當熱門的染料，由美國 Quantum Dot Corp. 公司生產，是創新的奈米科技，具有光譜的專一性，而且不會