快速掃描：

快速掃描 (Fast scan)是利用一個移動快速的光學延遲線(optical delay line,ODL)來回掃描，以很快的速度取得多個 waveform，再將所 得的 waveform 作平均。[10][11]我們若分析雷射的雜訊在頻譜上的分 布，則我們可以發現其雜訊的分布大約是從 0Hz 到射頻 (radio frequency )，其在 0Hz 處有個最大值，然後隨著頻率的增加約略呈 1/f 的衰減。我們可以快速掃描的方式將頻寬展開至高頻處，再加上高通 濾波器 (high pass filter)如此可將低頻較大的雜訊濾掉。另一方面，以

步進馬達來掃一個 waveform 的時間通常較長(1~100 min , ~1000 datapoints)，這低頻的雜訊便會在我們所掃的 waveform 上產生一些起 伏，這會使 waveform 看起來較為差。如果我們使用快速掃描的方式，

以很快的速度來取得很多組信號將其平均，故在取得一個 waveform 的時間內，我們可以將這低頻的雜訊視為”準直流” (quasi-dc)，其對 waveform 的影響是低頻雜訊會將信號上下平移，這上下平移的雜訊 會被平均掉，所得到的 waveform 看起來起伏便會比較少。這種方法 跟傳統使用步進馬達來量的方法來比較，另一優點在於使用步進馬達 來量取訊號所需時間與掃描的點數成正比，當我們希望取的點數多的 時候，所需時間也會直線上升。而快速掃描這方法的優點在於我們所 花的時間是用來取多個 waveform 來平均，只要達到了所需求的 SNR(signal to noise ratio)，則取多少點都不會影響掃描的時間。故所 需的點數越多，則快速掃描的優點越明顯。如下圖所示為傳統步進馬 達與快速掃描所量測 wave form 之比較。

在下圖中，這些都是 2048 點的 THz wave form。圖 4-1.a 是以步 進馬達掃的，鎖相放大器(lock-in amplifier)的時間常數 ( time constant ) 是使用 300ms，以步進馬達掃這樣一個 2048 點的 THz waveform 所 需時間約是 12 分鐘，其訊噪比約為 86 (我們定義訊躁比為尖峰值的 強度除以前 500 點的平均標準差)。以下以快速掃描來掃的 THz

waveform 其鎖相放大器的時間常數為 3ms ， ODL 之來回掃描頻率 為 1Hz ，輸出位置函數(position function) 為一 symmetry 為 5% 的 三角波。在圖 4-1.a 中，我們可以看到有許多較細的雜訊，這是由於 較強的低頻雜訊所造成的，而在圖 4-1.b、圖 4-1.c、圖 4-1.d 中這情 況已經改善很多了。我們可以看到圖 4-1.b 是以一分鐘時間來掃的已 經有不錯的訊躁比了，其訊噪比約有 74，圖 4-1.c 是以兩分鐘掃的已 經比以步進馬達掃的好一些了，其訊噪比約有 126。而圖 4-1.d 是以 三分鐘掃出來的結果已經明顯超過以步進馬達所掃的，其訊噪比約有 148。

0 2 4 6 8 10 12 14

-0.00004 -0.00002 0.00000 0.00002 0.00004 0.00006

THz E-field(arb. unit)

time delay (ps)

motor scan

圖 4-1.a 以步進馬達來掃 THz 的 waveform

0 2 4 6 8 10 12 14 -2000

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000

THz E-field (arb. unit)

time delay (ps)

fast scan, 1min

圖 4-1.b 以快速掃描的方式來掃 THz 的 waveform，掃描時間為一分鐘

0 2 4 6 8 10 12 14

-2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000

THz E-field (arb. unit)

time delay (ps)

fast scan, 2min

圖 4-1.c 以快速掃描的方式來掃 THz 的 waveform，掃描時間為兩分鐘

0 2 4 6 8 10 12 14 -2000

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000

THz E-field (arb. unit)

time delay (ps)

fast scan, 3min

圖 4-1.d 以快速掃描的方式來掃 THz 的 waveform，掃描時間為三分鐘