第四章 增強 THz 輻射實驗及分析
4.1 節：輻射與偵測原理及 Drude-Lorentz 模型模擬
4.3 節：THz 訊號強度與脈衝啁啾關聯性之實驗 4.4 節：THz 訊號強度與脈衝啁啾關聯性之討論
4.0 節：THz 系統
利用兆赫輻射時析光譜(THz-TDS)的技術，可以偵測 THz 電場大 小與相位，且擁有高訊噪比的優點。圖 4.1 為 THz-TDS 示意圖。
光 源 是 雷 射 二 極 體 激 發 的 鈦 藍 寶 石 鎖 模 雷 射 (1)(Ti:sapphire laser) 中 心 波 長 800 nm ， 脈 衝 寬 度 35 fs ， 重 複 率 (repetition
rate)82MHz，進入系統後分為兩道光，一道光為激發光(pump beam) 另一道則為偵測光(probe beam)，當激發光打到發射器上，在此，我 們使用半導體材料的光導天線(3)(本系統使用 LT- GaAs) (偶極結構 間距 5μm)，產生電子電動對，這些光激載子在天線中受到偏壓而 加速產生光電流，時變的光電流輻射出電磁波，此電磁波的持續的 時間與載子的生命週期有關，約為皮秒(1ps=10-12)知數量級，其所對 應的頻率為兆赫波段。 THz 經由金鏡(4)收集後穿透樣品(5)，接著 再經由金鏡收集聚焦到偵測器上，在此我們同樣用 LT- GaAs 的光導 天線(偶極結構間距 5μm)當作 THz 偵測器(7)；偵測光與 THz 同時 打在光導天線上，在偵測光照射的這段時間產生載子，等同於打開 偵測，載子在這段時間內被 THz 加速，藉著量測天線上的電流，可 以得知 THz 的大小，電流的大小與 THz 振幅成正比。藉著移動延遲 器(delay stage)(6)控制偵測光的與激發光的光程差便可以掃描出 THz 在時間上的分佈，經由鎖相放大器(lock-in amplifier)放大偵測訊 號，最後由電腦擷取分析數據，得到時域上的電場振幅及相位，傅 立葉轉換後得到頻譜圖。圖 4.2 為實際 THz-TDS 架構圖。
圖4.1 THz-TDS 系統示意圖
圖4.2 THz-TDS 系統
4.1 節：THz 輻射原理及Drude-Lorentz 模型模擬 弛時時間，E 是區域電場（local electric field），由於屏蔽效應（screen effect）區域電場小於外加偏壓所造成的電場，區域電場可表示為：
τrec 是電子電洞附合時間(τrec = 10 ps for LT-GaAs) ， J= envh + (–e)nve 是電流密度。遠場的輻射可以表示為：
/ / /
E
THz∝ ∂ ∂ ∝ ∂ ∂ + ∂ ∂ J t ev n t en v t
, (4.5) v = ve – vh. ，在遠場的兆赫輻射 ETHz 與兩個因素有關：第一項表示 載子密度的改變率第二项表示在電場中載子加速造成的效果。利用Drude-Lorentz模型理論模擬THz輻射，將上式（4.1）、（4.2）、
（4.5）解聯立微分方程組，求得THz與各項係數的關係。
如圖4.11 改變載子生命週期，由0.5ps到5ps，THz訊號也隨之改 變，若載子的生命期越短，消失速率越快產生的THz訊號也越強，反 之亦然。
如圖4.12（a）改變光脈衝寬度，∆t=30fs、80fs、150fs，越短的脈 衝打到天線上，可以輻射出越強的THz訊號，且頻寬越大，如圖4.12
（b）。我們將生命週期、脈衝寬度與THz訊號的關係[ref 4.3][ref 4.4]，
做個歸納：生命週期越短，脈衝寬度越小產生的THz訊號越強，反之 亦然，在接下來的實驗中我們調制相位啁啾，引發載子動態行為改 變，生命週期與脈衝寬度同時影響THz的產生，試圖以上述的理論模 擬結論作為實驗討論的依據。
圖4.11 不同載子生命週期所產生的THz
圖4.12（a）不同脈衝寬度所產生的THz
圖4.12（b）不同脈衝寬度所產生的THz頻譜