極化─飛秒光譜系統

Ti:sapphire Laser 20fs @ 75.5MHz

Long Delay stage

圖 3.2 激發-探測量測系統

飛秒級激發─探測系統的架構，如圖 3.2 所示。系統光源為鈦藍 寶石雷射(Ti:Sapphire laser)，其激發源為 Coherent Verdi V5 固態雷 射，出光波長為 532nm、最大輸出功率為 5W，但一般實驗時，我們 將輸出功率設定為 4W，以求其輸出功率穩定及延長雷射壽命。鈦藍 寶石雷射，在接受 Verdi 固態雷射激發，出光鎖模之後為中心波長 800nm 的脈衝雷射，其脈衝寬度為 20fs、脈衝重複率為 75.5MHz。

雷射光源，在進入系統之前會先經過一對稜鏡對，作為色散補償

(Dispersion compensation)之用。鈦藍寶石雷射在出光之後，脈衝到達 樣品表面之前，會經過各式各樣的光學元件，例如：反射鏡、聲光調 制器(Acousto-Optic modulator)、透鏡、低溫系統真空腔光窗……等。

這 些 光 學 元 件 會 對 雷 射 光 造 成 positive group velocity dispersion (GVD)，並造成雷射脈衝變寬達幾百 ps。如果我們能夠在提供 negative group velocity dispersion，如此一來就可將 positive GVD 的效應抵銷 掉，這樣一來就可以維持脈衝到達樣品表面的脈衝寬度。而這一對稜 鏡對就是提供一 negative GVD 的效應，透過調整雷射光在稜鏡之中 行走的光程，幾乎可以將色散現象所造成的脈衝變寬效應抵銷掉。

雷射光在經過稜鏡對之後，會經過一個分光鏡。分光鏡將光源分 成能量比為 8 : 2 的兩道光。較強的一道光稱為激發光束(pump beam)，較弱的則稱為探測光束(probe beam)。

激發光束會先經過一聲光調制器(AOM)，聲光調制器的功能與傳 統光學量測所使用的截波器(chopper)的功能相同，提供一調制頻率，

以便鎖相放大器擷取訊號。與傳統截波器不同的是，聲光調制器可提 供更高頻率的調制，降低更多的背景雜訊；但其缺點為造成嚴重色散 現 象 與 衰 減 雷 射 能 量 。 在 本 實 驗 中 ， 我 們 所 使 用 的 調 制 頻 率 為 770kHz。

接下來，激發光束會經過一個時間延遲裝置(Time delay stage)，

主要由高精密平移台與平行反射鏡所構成。透過控制精密平移台的移 動位置與距離，可以決定激發光與探測光到達樣品表面的相對時間，

以達時間解析的功能。我們所使用的精密平移台為 Newprot PM500 series。

在 激 發 光 束 進 入 低 溫 系 統 之 前 ， 會 先 經 過 半 波 片 (Half-wave plate)、偏振片(Polarizer)及聚焦鏡。偏振片與半波片的功能，主要用 來控制光的偏振方向與控制光能量的強度，聚焦鏡則是把雷射光，聚 焦於樣品表面之上。

對於探測光束，在離開分光鏡之後，與激發光束一樣會先經過完 全相同的聲光調制器，但是我們並未在此聲光調制器加上任何的調制 訊號。主要原因為，使探測光束的色散情形與激發光束的色散情形完 全相同，使稜鏡對的色散補償效應一樣。再來，探測光束一樣會經過 一時間延遲裝置，與激發光束上之時間延遲裝置不同的是，此為一個 行程較長的平移台，提供更長的時間延遲，但其精密度並不及激發光 束上之精密平移台。在本實驗中，由於超導樣品的弛緩行為約為幾十 ps，所以我們並未使用到此時間延遲裝置。最後，探測光束也會經過 半波片、偏振片及聚焦鏡，其功能與激發光束上之各個元件，功能相 同。

探測光束在到達樣品表面之後，我們擷取其反射光束，使用光偵 測器(Photo Detector)將光訊號轉換成為電壓信號。再利用鎖相放大器 (Lock-in Amplifier)與多功能電表(Multimeter)，將電訊號取出。再透過 電腦，並使用 Labview 軟體，即可進行自動化的量測與初步數據處理。

本激發─探測系統最特別的地方，在於激發與探測光束的偏振方 向，可由光路上的偏振片與半波片獨立調整。再配合實驗室成長各種 不同軸向的薄膜樣品，我們可以探測到樣品在不同軸向上的光譜變 化，觀察到樣品各向異性(Anisotropic)的現象。

圖 3.3