樣品準備與實驗步驟

pHEMT 室溫操作下輻射頻譜量測使用 FTIR 來量測元件的頻譜響 應 (Spectrum response) ， 相 關 原 理 可 參 考 Werner[17] 。 分 光 鏡 為 Mylar_6μm，偵測器使用 Silicon bolometer。Silicon bolometer 可偵測 頻段在 300GHz~20THz，量測時腔體抽成真空(~3mbar)，防止量測頻

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1/( )

v N x

  

樣品使用 W=100μm pHEMT，輻射頻譜量測光路與實驗架設如圖 4-2，量測時樣品稍微旋轉一小角度，因我們觀察得樣品於斜向出射 時，偵測器強度響應較正向出射時大。光路中間設置一線性偏極化之 偏極片(Linear Polarizer)，偏極片固定於自動化旋轉載臺，可連接至電 腦儀控。偏極片功用為確認樣品輻射訊號是否為單純熱輻射，因黑體 輻射源所發之光無偏極化，若我們轉動偏極片而觀察到偵測器強度響 應隨角度有變化，代表樣品輻射有偏極即非單純熱輻射，示意圖如圖 4-3

。

圖 4-1、麥克森干涉儀示意圖[17]

28

圖 4-2、頻譜量測光路與實驗架設示意圖

圖 4-3、以偏極片觀察輻射訊號偏極化示意圖

29 4.2 黑體輻射頻譜量測與光路校正

進行 pHEMT 輻射頻譜量測前，必頇先建立光路校正所需資料。

我們可以量測黑體輻射源之頻譜，透過簡單的公式轉換，得到光路校 正參數，此參數在接續 pHEMT 輻射頻譜量測中，能將光路及背景之 效應消除，並換算出輻射功率絕對值。校正方法參考 Thomas N.

Adam[18]、E. L. Dereniak [19]。

利用 FTIR 所量測得頻譜稱為 Ssample(k,T)，此頻譜並非真實頻譜，

必頇經過校正動作，扣除光路吸收及背景輻射之影響。Ssample(k,T)有 以下關係式:

Ssample(k,T)=R(k)×[Psample(k,T)+G(k)] (4.1) S(k,T):FTIR 儀器量測所得頻譜，單位為相對強度(arb. unit)。

P(k,T):樣品真實頻譜，單位為每單位波數分之瓦特數(W/cm^-1)。

R(k):光路系統(鏡組、分光鏡、PE 窗口)之頻譜響應。

G(k):背景輻射。

頻譜量測實驗條件中，樣品輻射訊號透過脈衝偏壓方式而有調 變，偵測器經由 SR850 鎖相放大器所擷取到訊號為經過調變頻率下 之光訊號，因此不會擷取到未調變之背景輻射，故可把背景輻射強度 項忽略，(4.1)式修正成:

Ssample(k,T)=R(k)×Psample(k,T) (4.2) 我們可以利用黑體輻射源，量測得一固定溫度下頻譜 SBlackbody

30 Lambertian 光源，即一個輻射率與方向無關的光源，有以下關係式:

M (W/cm²)=L (W/cm²∙sr) × π (sr) (4. 5) L 為 radiance，其物理意義為單位光源面積在單位立體角上所放 出的總輻射功率。M 為 exitance，為單位光源面積所輻射出的總功率，

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假設光路能將 PE 窗口收到之光全部傳到 silicon bolometer，因此偵測 器所接收總功率為:

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利用 FTIR 量測實際黑體輻射實驗架設如圖 4-4、圖 4-5，假設 T=150℃，可得理論計算黑體輻射 T=423K 在我們實驗架設下輻射頻 譜，如圖 4-6。實際量測黑體輻射源於 T=423K 下頻譜如圖 4-7。黑體 輻射量測參數如下:

Black body T=423K

SR560:gain=1, band pass filter 30 to 100Hz SR850:sensitivity=500mV

Chopper frequency=50Hz Aperture radius=0.508cm

Black body to PE window distance=7cm Spectrum resolution: 40cm^-1

圖 4-4、黑體輻射頻譜量測架設示意圖

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圖 4-5、黑體輻射源與 PE 窗口擺設關係示意圖

0 100 200 300 400 500 600 700

0.0 5.0x10^-7 1.0x10^-6 1.5x10^-6

Intensity (W/cm-1 )

Wavenumber(cm-1) T=423K Ideal Black body

圖 4-6、理論計算黑體輻射 T=423K 於實驗架設下輻射頻譜

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0 100 200 300 400 500 600 700

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Intensity(a.u.)

Wavenumber(cm^-1) S_Blackbody T=423K

圖 4-7、實際量測黑體輻射於 T=423K 輻射頻譜