第三章 實驗系統與實驗步驟
3.1 實驗裝置
實驗系統主要是由可調頻紅外雷射光源、反應系統、光解雷射三個部分 以及周邊儀器所組成，如圖 3-1 所示。分別說明如下：
3.1.1 可調頻紅外雷射光源
可調頻紅外雷射光源的產生是利用內部導入種子雷射(Continuum，
SI-2000，頻寬< 5kHz)光的 Nd:YAG 雷射(Continuum，Powerlite DLS 8000) 產生單一縱模(single longitudinal mode, SLM)、波長為 1064 nm 的光去激發 可調頻紅外雷射(Laser Vision)。紅外雷射內部主要分為兩大部分：光學參量 振盪器(OPO)和光學參量放大器(OPA)。首先，1064 nm 的入射光被分光片 分成兩道，其中一道經過 KDP 晶體倍頻作用產生 532 nm 的綠光，此綠光 進入光學參量振盪器後，經過參量作用轉換成近紅外光的 signal 波(near infrared，出光範圍為 712880 nm)和中紅外光的 idler 波(intermediate infrared，
出光範圍為 1.352.50 m)，接著 idler 波會和另一道被分光片分出的 1064 nm 的光在參量放大器處會合，經過參量作用產生新的 signal 波和 idler 波。在 參量放大器產生的 signal 波為原本來自光學參量振盪器的 idler 波，其強度 會被放大，不同波數下的出光能量如圖 3-2 的 signal 波所示。而新產生的 idler
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波即為本實驗所用之紅外光源，其頻寬為 0.02 cm1，波長可調變範圍為 2.135.00 m (47002000 cm1)，在不同波數下的出光能量如圖 3-2 的 idler 波所示。
3.1.2 反應系統
O2 氣體由高壓鋼瓶流出後，分成兩路：一路為大流量經過流量計及針 閥組，從反應槽的左右兩邊注入；另一路則經流量計及針閥組到達體積約 4900 cm3的預混槽，和由樣品瓶流進的 CH3I 蒸氣混合後，從反應槽的下方 注入。O2氣體除了當作反應物外，亦做為淬熄體(quencher)。本實驗的反應 槽即為共振衰減腔體。它是由一個長度 19.8 cm，高度 5 cm，寬度 3 cm 的 不銹鋼材質的長方形腔體，再加上兩個內部裝有反射率為 99.97 % 的反射 鏡(Los Gatos Research，適用範圍為 30003300 nm，鏡子直徑為 1"，曲率半 徑為 1 m)之振盪衰減鏡座所構成，共長 63 cm，內容積大約為 430 cm3 。其 中腔體的兩面挖空，利用材質為 S1UV、大小為 2.5 cm × 15 cm × 0.5 cm 的 石英光窗封住腔體，並使得 193 nm 或 248 nm 光解雷射能夠通過此腔體的 中心，光解反應之前驅物。反應槽上方連接到機械幫浦(dual stage rotary vane vacuum pump，Alcatel 2063C，抽氣速率為 63 m3 h-1)，將反應後的氣體抽走。
反應槽之壓力以電容式壓力計(MKS Baratron，type 626，1000 Torr)測量。
當可調頻紅外雷射光源進入到共振腔，光子會在兩面反射率為 99.97 % 的
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鏡片間來回反射，產生之振盪衰減訊號由 InSb 偵測器(Kolmer Technologies，
KISDP-1-LJ2)偵測。
3.1.3 光解雷射
本實驗利用氟化氬準分子雷射(Lambda Physik，model LPX100)以及氟 化氪準分子雷射(Lambda Physik，model LPX100)光解不同反應前驅物。並 用兩面圓柱透鏡(cylindrical lens)調整光解截面積，以控制光解通量(fluence)。
為了增加光解效率，吾人利用兩片反射鏡使光解雷射來回通過反應腔體。
3.1.4 其他周邊儀器
如 圖 3-3 所 示 ， 吾 人 利 用 脈 衝 訊 號 產 生 器 (Berkeley Nucleonics Corporation，BNC575)觸發 Nd:YAG 雷射的 flash lamp 和 Q-switch、控制 GagGe 取樣板(GaGe Applied, model 12400, A/D 解析度 12 bit，雙通道最大 取樣速度 200 MHz)進行數據擷取，以及觸發光解雷射。Nd:YAG 雷射的出 光激發可調頻紅外雷射後產生紅外光，吾人以分光片將其分成兩部份，分 別導入共振衰減腔體和 photoacoustic cell。photoacoustic cell 內裝有數十 Torr 的甲烷(CH4)，其光聲訊號(photoacoustic signal)用來同步校正紅外雷射波長。
振盪衰減之訊號和 photoacoustic cell 得到的訊號分別傳送至 GaGe 取樣板的 兩 個 頻 道 ， 並 以 Labview(Laboratory Virtual Instrument Engineering
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Workbench)語言撰寫的程式處理之。其中振盪衰減波形是利用單一指數衰 減函數去適解得到振盪衰減時間(𝜏get)，代入
(其中 為腔體長 度， 為光速)即可得知漏失比例，而 photoacoustic 的訊號則是積分數十個
s
的訊號得到一強度值。由 photoacoustic 訊號得到的 CH4 光譜，可利用 HITRAN2008 資料庫的 CH4吸收譜線位置做波長校正，藉以得到紅外雷射 正確的出光波長。當要掃描光譜時，先利用程式指定光譜的掃描起始波數 和終止掃描的波數，使可調頻紅外雷射的出光和指定波數相同。接下來指 定光譜每個數據點的波數間隔、每個數據點波形平均的次數，以決定可調 頻紅外雷射的平均掃描速率和總掃描時間。若掃描 30003060 cm1之光譜，且每一數據點波數間隔設定為 0.1cm1。若平均 50 次振盪衰減波形後記錄一 點，則 60 cm1的掃瞄範圍須記錄 600 點，以擊發頻率為 10 Hz 的雷射為例，
即每隔五秒記錄一點，可調頻紅外雷射的平均掃描速率為 0.02 cm1，總掃 描時間為 3000 秒(50 分鐘)。