第四章 增強 THz 輻射實驗及分析
4.3 節：THz 訊號強度與脈衝啁啾關聯性實驗
5 6
phase
wavelength(nm)
圖4.5 在天線前，脈衝 3 的相位
4.3 節：THz 訊號強度與脈衝啁啾關聯性實驗
在同調控制的技術上，啁啾是重要的光參數[ref 4.5] [ref 4.6] [ref 4.7]，上一節的實驗結果顯示，THz 訊號強度與脈衝的啁啾量有關，
為了更深入研究兩者的關係，我們利用SLM 當作啁啾控制器，給予 一個定量的啁啾，正啾或是負啾來產生THz。
舉個例子，如果給予 SLM 上一個相位量Ψ=A*x2，x 是頻率，等 同於疊加二階的相位，如此一來，離開脈衝變形器的脈衝將會帶有啁
啾，如果A=1000，等同於疊加 1000fs2的正啾；同樣的如果A=-1000，
autocorrelation trace (fs)
chirp (105fs2)
expiment theory
為了減少控制變因的複雜度，原本在THz 系統前調制光源，改為 單獨調制激發光束(pump beam)與單獨調制探測光束(probe beam)，分 別觀察帶有啁啾的激發光束與帶有啁啾的探測光束對於THz 的訊號 產生有何影響。
圖4.7(a)為不同啁啾的激發光束所產生的 THz 波形，明顯看出啁啾 對THz 訊號的影響，使用項位凍結法得到的脈衝，產生最大的 THz 訊號，些微的正啾比起頻寬對應最短脈衝也擁有較強的THz 訊號，
4.7(b)是相對應的頻譜圖。
10 12 14
0.0000 0.0002
THz E-field(a.u.)
time(ps)
chirp -8.2*104fs2 chirp -1.64*105fs2 chirp +8.2*104fs2 chirp +1.64*105fs2 THz signal enahncement
圖4.7(a) 調制激發光束 THz 波形
0 1 2 THz signal enahncement
power(a.u.) THz signal enahncement
THz E-field(a.u.)
time(ps)
圖4.8(a) 調制探測光束 THz 波形
0 1 2 THz signal enahncement
power(a.u.)
衝，圓圈表示給予定量啁啾的脈衝；使用啁啾量為零的THz 訊號做
pump by chirped pulse
THz peak value(a.u.)
chirp(105fs2)
圖4.9 調制激發光ＴＨz 峰值
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
probe by chirped pulse
THz peak value(a.u.)
chirp(105fs2) transform limit before antenna
transform limit before THz system THz feedback enhancement
THz peak value(a.u.)
Chirp(105fs2)
圖4.11(a) 同時調制激發與探測光ＴＨz 峰值
0 1 2
1360fs，THz訊號也接近，啁啾所影響相對不大。
過去，降低載子生命週期能產生較大的THz輻射被廣泛的研究 [ref 4.4]，正啾與半導體的交互作用可以視為長波長、能量低的光子
先填入低能階，短波長、能量高的光子依序填入高能階，若在很短的 時間內(約等於激發光子從高能階降到能隙底部的鬆弛時間)一道正 啾脈衝打進半導體中，可以視為能帶填充效應(band filling)或能隙重 整化(band-gap renormalization)的過程，過多的光激載子填滿導帶底 部，讓能隙的大小改變，能帶填充效應會導致載子生命週期變短[ref 4.8]，導致在正啾脈衝可以使半導體的光導天線輻射較強的THz訊號。
相對的，一道負啾的脈衝，短波長、能量高的光子先進入半導體，
接著長波長、能量低的光子才進入，先進入的高能光子在降到導帶底 部的鬆弛過程中阻擋了低能量光子的吸收，能帶填充效應相對應較 弱，所以並沒有增強THz的效果。
在4.1節，模擬了脈衝寬度對THz的影響，被拉寬的脈衝會減少 THz的產生；所以在啁啾與THz訊號間的關係需把脈衝寬度也考慮進 去，啁啾量變大意味著脈衝寬度變寬，產生的THz訊號變弱。
以上啁啾引起兩種效應需同時考慮，分成兩部分來討論：
1.
脈衝寬度小於光子從高能階降到能隙底部的鬆弛時間。2.
脈衝寬度大於光子從高能階降到能隙底部的鬆弛時間。能帶填充效應的過程要在短脈衝的範圍內，在極短的時間內光子 從導帶底部開始往上填滿，造成載子生命週期變短的效應。若在第一 種情況下，能帶填充效應的影響較大，造就產生的THz訊號 正啾 >
頻寬對應最短脈衝 > 負啾，若是啁啾量過大，增加正啾或負啾會造 成脈衝寬度被拉寬的影響，都會減少THz的產生。啁啾所造成的能帶 填充效應與脈衝寬度效應所是同時影響THz輻射強度，在負啁啾，同 樣減少訊號，所以負啁啾越大，THz訊號越弱；但相對的，在正啁啾，
兩者的效應不同，造成+5.4*104fs2的正啾可以產生最強的THz訊號。
在本實驗所使用的LT-GaSe的天線，鬆弛時間在數百個飛秒的數 量級，實驗結果驗證在這數量級內啁啾的影響明顯，同樣脈衝寬度的 正啾脈衝產生較強的THz輻射，若啁啾量過大，將脈衝寬度拉開，增 加啁啾量，不論正負皆是增加脈衝寬度，降低THz輻射。
最後歸納出調制光源對THz訊號的影響：
1.
在短脈衝區域適量的正啾能夠產生最大的THz訊號2.
若啁啾量過大，脈衝寬度過度被拉寬，會造成THz輻射下降。3.
單獨調制發射或接收光源，有相同的趨勢。4.
使用相位凍結法不僅給予一個二階的正啁啾，還補償了其他 效應的影響，所以得到最佳的THz訊號。5.
最佳的THz訊號增益，有40%的放大率。第五章 結論與未來展望
在本論文中，介紹了脈衝型變的技術方法與實驗結果，成功地利 用全反射式系統與純相位調制的方法達到壓縮脈衝與型變脈衝的目 的。運用此技術在同調控制、寬頻通訊的編碼、或是化學反應控制上 皆有強大的潛力與發展性。
在ＴＨz的領域，產生與接收一直是研究所面臨的大挑戰，過去 前人在天線的設計上著手，改變天線幾何構造、材料參數，獲得不錯 的增強效果，而我們調制光源這方向將增強效果更進一步推進。
為了解決激發脈衝相位與半導體載子動力學的關係，探討啁啾與 半導體生命週期的實驗是未來研究的方向。
參考資料
[ref.1-1]
-> A. M. Weiner, D. E. Leaird, G. P. Weiderrecht, and K. A. Nelson,"
Femfosecond multople-pulse implsive stimulsted Raman scattering spectroscopy," J. Opt. Soc. Amer. B, vol. 8, pp. 1264-1275, 1991.
[ref.1-2]
->J. A. Salehi, A. M. Weiner, and J. P. Heritage," Coherent ultrashort light pulse code-division multiple access communication systems," J. Lightwave Technol., vol. 8, pp. 478-491, 1990.
[ref.1-3]
->Y. Liu, S. Park, and A. M. Weiner, "Terahertz waveform synthesis via optical pulse shaping, "IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 2, pp. 709-719, 1996.
[ref.1-4]
->S. Chelkowski and A. D. Bandrauk, "Control of vibrational excitation and dissociation of small molecules by chirped intense infrared laser pulses,
"Chem. Phys. Lett., vol. 186, pp. 264-269, 1991.
[ref.1-5]
->A. M. Weiner, D. E. Leaird, J. S. Patel, J. R. Wullert, "Programmable Shaping of Femtosecond Optical Pulse by Use of 128-element Liquid Crystal Phase Modulator, " IEEE J. Quantum Electron., vol28, pp.
908-920,1992.
[ref.1-6]
->W.H. Press, B. P. Flannery, S. A. Teukolsky, and W. T. Vetterling, Numerical Recipes (Cambridge, 1986), pp. 326-334.
->A. M. Weiner, S. Ordin, D. E. Leaird, D. H. Reitze, "Shaping of Femtosecond Pulse Using Phase-only Filters Designed by Simulated Annealing, " J. Opt. Soc. Am. A, vol 10, no5, pp. 1112-1120, 1993.
[ref.1-7]
->A. Hacker, G. Stobrawa, T. Feurer, "Iterative Fourier transform algorithm
2001.
[ref.2-1]
Andy RundquistAn, atoly Efimov* and David H. Reitze, “Pulse shaping with the Gerchberg–Saxtonalgorithm” J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 19, No.
10/October 2002 [ref.3-1]
D. Meshulach, D. Yelin, and Y. Silberberg“ Adaptive real-time femtosecond pulse shaping“ Vol. 15, No. 5/May 1998/J. Opt. Soc. Am. B
[ref.4-1]
M. Nakajimaa), K. Uchida, M. Tani, and M. Hangyo “Strong enhancement of terahertz radiation from semiconductor surfaces
using MgO hemispherical lens coupler “ APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 85, NUMBER 2 12 JULY 2004
[ref.4-2]
Yongqian Liu, Sang-Gyu Park, and A. M. Weiner“ Enhancement of narrow-band terahertz radiation from
photoconducting antennas by optical pulse shaping“ OPTICS LETTERS / Vol. 21, No. 21 / November 1, 1996
[ref.4-3]
Zhisheng PIAO, Masahiko TANI and Kiyomi SAKAI “Carrier Dynamics and Terahertz Radiation in Photoconductive Antennas” Jpn. J. Appl. Phys.
Vol. 39 (2000) pp. 96–100 [ref.4-4]
P.Uhd Jepsen,R.H.Jacobsen,and S.R.Keiding “Generation and detection of terahertz pulses from biased semiconductor antennas”J. Opt. Soc. Am.
B/Vol. 13,NO. 11/November1996 [ref.4-5]
G. Cerullo, C.J. bareen, Q.Wang C.V. Shank “High-power femtosecond chirped pulse excitation of molecules in solution” Chemical Physics Letters 262(1996 262-368)
[ref.4-6]
J. Kunde, U. Siegner, S. Arlt, F. Morier-Genoud, and U. Keller,
“ Chirp-controlled ultrafast optical nonlinearities in semiconductors”
Applied Physics Letters -- November 23, 1998 -- Volume 73, Issue 21, pp.
3025-3027 [ref.4-7]
Kazuhiko Misawa, Takayoshi, “Wave-packet dynamics in cyanine dye molecule excited with femtosecond chirped pulses”Journal of chemical physics Vol. 113 NUMBER 13 (2000 7546-7553)
[ref.4-8]
Dongfeng Liu, Jiayin Qin “ Carrier Dynamics of Terahertz Emission from Low-Temperature-Grown GaAs” Applied Optics, Volume 42, Issue 18, 3678-3683 June 2003