第四章 近場時間解析光譜技術
4.3 結果與討論
圖4.5 是 GaSe0.6S0.4之單點近場時間解析光譜量測的結果。
圖4.5 單點近場量測 GaSe0.6S0.4的時間解析光譜與遠場時間解析光譜 圖 4.4 GaSe0.6S0.4 可見光波段頻譜圖
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在遠場光激發探測實驗中，我們可以得知激發光所造成的折射率 變化在 10-6~10-7，藉由鎖相放大技術我們可以讓解析度提升至 10-6。若 改用近場方式來量測時，且使用空間解析度 100 奈米的孔穴式光纖探 針，光的穿透率在 10-2~10-6，會使近場量測到的訊號強度遠小於使用遠 場的方式，這時，就算使用鎖相放大技術也很難得到很好的訊雜比。
所以，當用近場方式量測時間解析光譜，得先將系統的訊雜比儘可能 提升至最好，來以量測樣品。
提升訊號方面
i. 增加光纖探針的穿透率。從理論和實驗可以得知，當光在光纖中 傳遞時，核心(core)的半徑小於截止半徑時，光強度會隨著傳遞 距離而指數遞減，截止半徑取決於光的波長和所在介質的折射率 n。由圖 4.6 可知，光纖探針的角度愈大針尖離截止半徑會愈短。
所以，角度愈大的探針會有較高的穿透率。一般用熔拉方式製成 的光纖探針角度都小於10 度，但是使用蝕刻方式製針可以藉由 改變BOE 的濃度來得到所需要的角度。
ii. 使用無鍍金屬膜的光纖探針也可以得到更高的穿透率，但缺點就 是近場光的空間解析度會變差。
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iii. 有效率的收集探測光的訊號也是很重要的工作。圖為時間解析近 場顯微儀各種不同的操作模式，使用不同模式都有各自的優缺點。
圖 4.7 之(a)激發光與探測光從遠場激發，探針近場收光，這方式 可以用很高的光強度來得到較強的訊號，但是要從反射端面做到 探針、激發光和探測光三者重合是很困難的，而且探針所收到的 近場反射光也很微弱，優點是激發光和探測光不需先做色散補償。
圖 4.7 之(b)相對於圖 4.7 之(a)重合方面較為簡單而且探測光是正 面入射正面收反射光，收到的探測光強度比圖 4.7 之(a)高出許多，
但是將光入射進光纖端面時，會有很強的背景反射光，遠遠大過 探測光的光強度。如果使用高敏感度的光偵測器，背景反射會使 它飽和，衰減光強度使它不飽和又會使探測光太微弱。反之，用 較低敏感度的偵測器又量測不出探測光的訊號，所以，要用這個 架構需先解決背景反射的問題。圖 4.7 之(c)讓激發光和探測光以 近場方式激發，再用物鏡收穿透光。這個方式在光路架設上十分
圖4.6 不同角度下針尖到截止半徑的距離比較之示意圖
熔拉 蝕刻
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的簡單非常適合在真空腔或用在儀器空間有限的地方，缺點就是 光強度不能太大，以致打壞探針表面的金屬膜。圖 4.7 之(d)激發 光從樣品背面以遠場方式激發，探測光以近場方式激發，用物鏡 遠場收穿透光。空間重合方面可以用CCD 看是否有重合，而且 可以加大激發光的強度，不需擔心打壞探針表面的金屬。但是，
光路架設上會比圖 4.7 之(c)複雜許多。
降低雜訊方面：
I. 有效阻擋激發光進光偵測器，使用雙色光激發探測量測技術，
也就是讓激發光與探測光的中心波長不同，再利用三陵鏡讓不 同波長的光走不同路徑，然後取出我們需要的探測光。
來自雷射本身的雜訊或是金屬因為光的照射而產生熱效應的擾動。超 快雷射的雜訊在頻率
圖4.7 時間解析近場顯微術系統不同的操作模式
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II. 1 MHz 以上就小很多，圖 4.8 所示。而熱擾動的雜訊是屬於低 頻雜訊，所以將聲光調變器的調變頻率調到1 MHz 以上，就可 以減低避免很多的背景雜訊。
III. 來自電子訊號的雜訊。這問題最主要來自所用的光偵測器，目 前我們所用的是Hamamatsu 的 APD Module 型號為 C5331 其 Noise-equivalent Power ( NEP )為 300 fW/Hz1/2，而C4777 的 NEP 為80 fW/Hz1/2。另外，量測小訊號時，接地的問題也必須注意。
儀器接地有幾個目的，提供參考電壓、機殼屏蔽和避免漏電。
1、 所有量測小訊號儀器的接地必須與台電的地線做隔絕，否則 台電地線會造成參考電壓不穩。
2、 避免多點接地，造成接地迴路。示意圖如圖 4.9(a)，Loop1 所 造成的壓降會抵消APD 所量測的電壓，如果 APD 量測到的
圖4.8 鈦藍寶石超快雷射相位雜訊頻譜圖[30]
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電壓比Loop1 所造成的壓降小的話，訊號就會完全被蓋掉。
而Loop2 則會造成參考電壓的飄動，其形成原因是不同的儀 器的機殼之間如果有電壓差的話，就會形成Loop2 的迴路。
而且在真實實驗上，情況會比上述討論複雜許多。正確的接 地應是如圖4.9(b)，這樣才能避免因接地迴路所造成的電子雜 訊。
3、 同軸電纜線的選用與固定接線避免晃動。因為我們選用的調 變頻率已經到RF 頻段，所以選用 RF 同軸電纜線可以減少外 界電磁波的干擾。還有BNC 接頭也要注意是否有鬆動，纜線 也要固定好，避免晃動而造成不必要的雜訊。
IV. 近場光顯微儀的避震措施與距離回饋電路雜訊的抑制
這會影響探針與樣品間的距離穩定度，又因為近場光的強度會 圖4.9 接地迴路示意圖
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隨著距離的增加而快速衰減，這會造成光訊號很不穩定，且會 造成表面形貌圖的高度解析度下降。
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第五章 總結
這篇論文藉由 attocube 的掃描器、掃描器的趨動器與控制器和自 行製作的平台搭建近場光顯微儀，並且結合雙色光激發探測量測系統 建構出時間解析近場顯微術系統。目前已成功利用這套系統量測 GaSe0.6S0.4晶體之單點近場時間解析光譜，可惜的是，未能完成不同延 遲時間下的近場光影像圖。
因為目前這套系統尚在剛建構完成，有許多地方仍需改進。選用 低雜訊 APD、近場光顯微儀的避震、更高空間解析與更高光穿透率的近 場用光纖探針、收光光路的改進、進光纖探針前的前置色散補償、改 進雙色光激發探測系統…等，讓這套時間解析近場顯微術系統，能得 到更好的訊雜比、更高的空間解析與時間解析的能力。
未來解決這些問題和改進系統後，這套量測系統將成為研究奈米 尺度下超快動力行為最有力的利器。
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