首先介紹激發-探測實驗，激發-探測實驗簡單的說就是利用兩道光來進 行樣品的動態行為觀察。其中一道較強的光，被用來激發電子使樣品產生 被激發後的行為，而另一道較弱的光，則被用來探測樣品被激發後，所經 歷的過程。
最初會將一道飛秒脈衝雷射分成兩道強度不同的光，較強的為激發光 (pump beam)，較弱的為探測光(probe beam)。當激發光到達樣品時，會使樣 品發生一個事件n(t)，事件 n(t)會隨著時間改變。如圖 4-1[28]，激發光與探 測光源為同步到達樣品，但藉由精準的移動平台控制兩道光之間的光程 差，使激發光和探測光到達樣品時產生一時間延遲 (delay time)，由此方式 觀察事件n(t)隨著延遲時間長短所發生的變化。而系統可以觀察到的時間變 化尺度在10-9到10-15秒間，所以這類尺度的研究統稱為超快動力學。
圖 4-1 激發-探測實驗原理示意圖
在此實驗中，藉由量測樣品的反射率(reflectivity)變化來觀察 n(t)隨時間
的變化，但因為反射率變化量非常的小，只有將近 10-4~10-7，所以必須使 用鎖相放大器(lock-in amplifier)去除背景雜訊（雷射雜訊、光學桌震動、電
子儀器雜訊等）以及將訊號放大。在激發光的路徑上安裝一個聲光調制器 (acousto-optical modulator)，輸入同樣的調制頻率給鎖相放大器與聲光調制 器，讓鎖相放大器只會讀經過聲光調制器調變後的訊號。式 4-1 中 I0(t)為
DC 電壓訊號，代表反射率 R，而 ΔI(t)代表反射率變化量 ΔR，由式(4-1)可 得到ΔR/R=ΔI/I 的關係，來觀察到 n(t)的變化過程。
close 0 rpump
closepump open r
closepump i r openpump i r
close pump
close open pump
pump
4-2 旋光激發-線偏振光探測實驗系統
圖4-2 旋光激發-探測結合時間解析磁光效應實驗系統
BS：分光鏡，AOM：聲光調制器、pol：偏振片、λ/2：二分之一波板、λ/4：
四分之一波板、pol BS：偏振分光鏡
圖4-2 為本實驗的激發探測系統，系統光源為鈦藍寶石雷射(Ti: Sapphire Laser)，鈦藍寶石雷射為一種寬頻雷射，鎖模後發出的光為飛秒級脈衝，本 光源中心波長可調範圍約為740 到 820 nm，脈衝雷射重複率為 80 MHz。
雖然鈦藍寶石雷射出光的脈衝寬度極窄，但是在到達樣品前，會經過許 多的光學原件，例如透鏡、反射鏡、聲光調制器、偏振片、二分之一波板、
四分之一波板、低溫系統腔體的光窗等，這些光學原件會讓雷射脈衝產生 正色散(positive group velocity dispersion)，使得激發、探測兩道光到達樣品 時脈衝寬度變寬，並非雷射出光時的短脈衝，因此系統之時間解析能力將
大大降低。所以在雷射出光後，在經過一連串光學元件前先加設一組菱鏡 對，用來提供色散補償，利用菱鏡對可將不同波長的光產生不同的光程差 以提供負色散(negative group velocity dispersion)，將之後所經過的光學元件
所產生的正色散抵銷，以確保雷射在到達樣品時，雷射的脈衝寬度為最小 的狀態。
激發光
由分光鏡將經過菱鏡對壓縮脈衝後的雷射光分成兩道線偏振方向相 同、功率四比一的激發光與探測光，激發光會經過一個聲光調制器，聲光 調制器的工作原理是先由訊號產生器(function generator)提供一個固定頻率 同時給聲光調制器和鎖相放大器(lock-in amp.)，在聲光調制器收到一個固定 頻率的電壓後，其中的壓電晶體會將電壓轉成機械震盪以在聲光晶體中產 生一聲波，形成一等效的穿透式光柵，使得經過晶體的光波發生行進路線 的偏折，換句話說就是在原位置的光點會出現閃爍，而閃爍頻率與鎖相放 大器從訊號產生器得到的頻率相同。藉由此機制，以提升訊雜比。
激發光在通過聲光調制器後，接著會經過時間延遲裝置(time delay stage)，用空間來換取時間，時間延遲裝置是由高精密平移台和平行反射鏡 (retroreflector)所組成，透過高精密平移台的前後移動來控制激發光走的路
時間與精密平移台移動距離的關係式如式4-2，其中 d 為精密平移台所移動 的距離，c 為光速，t 為激發光與探測光的延遲時間差。
2
d = ct
(4-2)通過延遲裝置後，會經過二分之一波板、偏振片和四分之一波板，最後 在聚焦到樣品上。二分之一波板和偏振片的組合是用來控制光到達樣品時 光功率的大小，方法是固定偏振片強制通過偏振片後的線偏振方向一定，
然後旋轉在偏振片前的二分之一波板，讓通過二分之一波版的線偏振方向 旋轉，因為只有平行偏振片偏振方向的光才可以過偏振片，其餘分量皆不 可通過，所以藉此組合控制光功率大小。本系統激發光的偏振方向為平行 桌面。而利用四分之一波板的快軸和光的線偏振方向夾角可以產生左旋偏 振、右旋偏振及線偏振的光。
探測光
探測光從分光鏡分出後，首先會經過一個未調制的聲光調製器，在此 路徑上安裝聲光調制器而卻未調製的目的是為了讓激發光和探測光經過的 光學元件盡量完全相同，色散情況也才會盡量相同，如此做色散補償時才 能達到最好的效果。而之後所經過的二分之一波板、偏振片的作用和激發 光路徑上的一樣，是用來控制光強度。最後將探測光經由樣品反射後直接 導入光偵測器(photo detector)，將光轉成電訊號，電訊號再經由鎖相放大器 以及多功電表(multimeter)分別讀取反射率變化 ΔR 和反射率 R 值。
時間重合與空間重合
架設好光學系統後，在未來要擺放樣品的位置上安置一個非線性二倍 頻晶體(beta-barium borate)，二倍頻晶體在激發光、探測光兩道光特定的角
度和偏振下，吸收能量後會產生二倍頻的藍光。控制時間延遲裝置進行掃 描，當平行反射鏡在時間重合的那個位置時，將會產生能量最強的藍光。
利用透鏡將激發、探測兩道光聚焦到樣品，並且要求激發光的光點大 於探測光使探測光的反應為最強烈，所以會故意將激發光路徑上的透鏡稍 微遠離焦距一些的位置。通常在找空間重合時會先使用CCD 或是 IR view 來觀察樣品表面情形以取得大概的重合，最後在微調激發光光點位置，然 後直接觀察鎖相放大器讀到的 ΔR 值，當取得最好的空間重合時，鎖相放 大器上的ΔR 值會達到最大。
4-3 時間解析磁光效應實驗系統
一般的激發-探測實驗，探測光經由樣品反射後直接導入光偵測器，將 光轉成電訊號，電訊號再經由鎖相放大器以及多功電表分別讀取反射率變 化ΔR 和反射率 R 值。而時間解析磁光柯爾效應的接收方法與一般的激發-探測實驗不同地方在於在樣品和光偵測器之間，多加上了一個四分之一波 板和一個偏振分光鏡(watson beam splitter)，如此做的目的是將反射後的線 偏振光變為圓偏振光，在經由偏振分光鏡分成兩道分量正交的線偏振光，
利用偵測器將兩道線偏振光分別轉成的電訊號做相減，而若是因為材料或 者外加磁場使得樣品反射光的偏振方向產生變化，則電訊號相減的值也會 發生改變，依照電訊號改變過程可討論樣品表面隨時間的經過所發生的變 化。圖4-3 為一般的激發-探測實驗與磁光柯爾效應接收方式的比較。
圖 4-3 激發-探測實驗系統與時間解析磁光效應實驗系統接收方式
假設線偏振探測光的偏振角與參考軸夾角ψ，將探測光分成兩道互相正 角，即柯爾旋轉角(Kerr rotation angle，θ K)，以及橢圓偏振光的橢圓率，即 橢圓長短軸比例，稱為柯爾橢圓率(Kerr ellipticity，εK)。
以瓊斯矩陣(Jones matrix)分別表示探測光 J0、光偵測器分別接收到的兩
⎥⎥
sin cos
2
ΔR 與柯爾效應轉換
由於時間解析磁光柯爾效應實驗量測到的數據是光的偏振旋轉角度θ K 或是橢圓率 εK，而非光的反射率變化，所以必須要將鎖相放大器讀到的電 壓訊號ΔV值有效的轉換成θ K或 εK值。轉換方法如圖4-4，將時間解析磁 光柯爾效應的接收端前方多加一個二分之一波板，目的是讓通過二分之一 波板的偏振光產生旋轉。然後藉由控制二分之一波板的旋轉角度，讀取鎖 相放大器相對應的變化。
首先先旋轉四分之一波板，使得多功電表讀到光偵測器接收到兩道光 訊號相減值為零，接著再加入二分之一波板，將二分之一波板的快軸或慢 軸方向平行探測光偏振方向，此時多功電表讀到光偵測器的訊號一樣為 零，接著由精密旋轉台控制二分之一波板，二分之一波板每旋轉一度，通 過的探測光就旋轉兩度，藉由探測光的旋轉與鎖相放大器的訊號變化，可 推得兩者間的關係是每1度(degree)變化 35 μV，如圖 4-5。
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.10x10-4
2.45x10-4 2.80x10-4 3.15x10-4 3.50x10-4
Voltage (V)
Degree (θ)
圖 4-5 鎖相放大器電壓訊號(ΔV)與柯爾效應(θ K)的對應關係
4-4 低溫與外加磁場系統
為了量測樣品在不同溫度、不同磁場下的行為，因而建立了一套低溫、
可變磁場的系統。本低溫系統使用的降溫方式是抽取液氦的開放式(open
cycle)降溫系統，並利用機械幫浦、渦輪幫浦將低溫系統的真空度抽至 10-6
到10-7 torr左右，且可保持穩定的溫度控制。
而外加磁場的方向是平行樣品表面，並與入射面平行的縱向磁光柯爾效 應，如圖4-6。改變外加磁場大小的方式是將片狀的永久磁鐵串連疊加，並
以無磁性的固定罩將磁鐵固定在低溫真空腔體兩旁的光窗外，本系統可外 加最強的磁場強度約850 Oe。
真空腔體是安置在一個X、Y、Z三維平移台上，在尋找樣品的平整表 面或是尋找空間重合時，可微調平移台至適當的位置進行實驗量測。
4-5 實驗步驟與基本參數
系統架設完畢後，就可開始進行樣品的超快雷射光譜量測，詳細實驗 步驟如下：
樣品安置
使用雙面膠、碳膠或銀膠將樣品固定在低溫系統腔內的樣品銅座，黏 貼樣品時需注意樣品是否完全牢固且貼平樣品座，以避免量測時樣品出現 些微位移，使得反射光改變行進方向造成訊號錯誤。又或者是導熱不均勻 使得樣品溫度與銅座溫度產生很大誤差。拆卸樣品時，將雙面膠與樣品一
使用雙面膠、碳膠或銀膠將樣品固定在低溫系統腔內的樣品銅座，黏 貼樣品時需注意樣品是否完全牢固且貼平樣品座，以避免量測時樣品出現 些微位移，使得反射光改變行進方向造成訊號錯誤。又或者是導熱不均勻 使得樣品溫度與銅座溫度產生很大誤差。拆卸樣品時，將雙面膠與樣品一