溫度控制

3-5-1 熱電致冷溫控系統

由實驗經驗得知，如果實驗時間久了，訊號會不穩定，訊雜比變 差，甚至在外加大電壓的情況下，一段時間後 THz emitter 會燒壞。

推測可能的原因為 THz emitter 受到熱損害的影響。

當超快雷射照射在半導體表面，使其輻射出兆赫輻射波時，因為 我們的雷射脈衝輸出重複率（Repetition Rate）為 75MHz，容易將熱 能累積在半導體基板上，為避免熱量的累積損害THz emitter。所以利 用熱電致冷晶片及溫控器搭配熱電偶，設計一個散熱銅基座，銅基座 如圖所示（3-12），所選用的致冷晶片其最大溫差 67℃，最大致冷力

88.9 瓦特，將致冷晶片雙面均勻塗上散熱膏夾於二散熱銅塊間，稍微 滑動其相對位置使其中空隙空氣排出，增加其黏附性及導熱效果。下 面銅基座鑽二條水冷通道，循環水接自超快雷射的冷卻水系統，藉由 水冷卻來增加致冷晶片工作效率。

利用 5C7-550A 溫控電路來控制銅座的溫度（圖 3-13），其優點 為同時具有加熱溫控與冷卻溫控兩種功能，以比例/積分溫控的方 式，使加熱冷卻功能轉變時無隙縫無死點。

銅塊間的縫隙也都用散熱膏填滿，中間挖一個約6 ㎜×10 ㎜的孔 供兆赫輻射穿透，背後的洞挖開點避免檔到兆赫輻射波前進路線，二 個直徑約10 ㎜的孔供 BNC 連接頭偏壓接線。在銅塊靠近 THz emitter 的地方設置一個螺絲孔，可將熱電偶鎖在銅塊上，因此我們可以控制 銅基座的溫度，進而觀察室溫範圍下溫度對 THz emitter 的影響。其 結果將在3-5-2 節討論。

用銀膠把 THz emitter 黏在銅塊孔徑上提供一良好的導熱路徑，

注意銀膠不可以擋到輻射路徑。

圖3-12：散熱銅基座實體圖。

圖3-13：5C7-550A 溫控電路

3-5-2 溫度的影響

溫控系統除了能降低熱能對 THz emitter 的損害外，使系統能在 一個穩定的溫度下工作，我們可順便觀察背景溫度對 THz emitter 輻 射效率之影響。如果只紀錄銅座溫度，在外加偏壓三百伏特時激發光 打到THz emitter 後溫度提高約 5 到 6℃，可見熱累積的影響頗嚴重。

實驗裝置如前面章節所述，由於實驗環境限制，我們改變銅座的溫度 範圍在室溫附近。

藉由控制銅基座的溫度影響 THz emitter 的背景溫度，在低於室 溫約 10℃時，THz emitter 表面會有小水珠凝結，所以整個系統需要 密封灌入氮氣排除水氣，將濕度降至 15﹪以下。圖 3-14 只顯示銅基 座溫度在35.0℃和 5.0℃所量測到的 THz 訊號，圖 3-15 為不同溫度量 測到的訊號大小關係圖。

背景溫度愈低，所輻射出的 THz 電場愈大。在室溫下半絕緣磷 化銦的能隙為 1.35eV，超快雷射中心波長 800nm 為 1.55eV，激發光 子能量大於電子躍遷至導電帶所需的能量，所以在導電帶上的電子帶 有能量，稱之為熱載子（hot-carriers）。未達熱平衡狀態，其在晶格中 散射的效應遠比熱平衡載子強，所以光激載子的瞬時遷移率（transient carrier mobility）遠比熱平衡載子遷移率（steady carrier mobility）小。

溫度降低時晶格振動對載子的散射機率降低，瞬時載子遷移率會隨著

溫度降低而升高。兆赫波電場振幅大小和光電流對時間一階微分呈正