結合激發-探測功能之超快時間解析雷射掃瞄顯微儀

全文

(1)♁ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 結合激發-探測功能之超快時間解析雷射掃瞄顯微儀 Pump-Probe Based Ultrafast Time-Resolved Laser Scanning Microscopy. 研究生：彭偉棟撰指導教授：高甫仁博士. 中華民國九十四年六月.

(2) 致謝詞研究所碩士班即將畢業，這兩年來在光電所近代光學實驗室所受的教育，受惠良多，感謝高甫仁教授的細心指導，在實驗架設授予充分的資源，增加光學領域的知識；感謝實驗室物理研究所周俊豪同學的鼎力相助，幫助我完成實驗以及論文，共同完成本實驗的架設，也感謝實驗室的同學以及學弟，不論是在生活上或是學業上，幫助我度過最艱難的時刻，最後，感謝我的父母及家人，謝謝你們的支持與鼓勵，在此特別感謝剛過世的父親，你的付出，讓我無後顧之憂的完成學業，在您的叮嚀囑咐下完成學業，並以此篇論文獻給我最敬愛的父親。.

(3) 中文摘要近幾年來，半衰期影像已經成為一個熱門研究主題，不管是生物螢光，半導體的鬆弛時間等，都具有值得研究的意義，再加上螢光影像的取得更增加了對於研究生物醫學上分子動力學的了解；在此研究中，我們已經取得自相關儀系統影像，證明能在掃描顯微系統架構下，以激發探測原理為基礎，實現提高時間解析的量測，可以提供許多方面的研究，例如，在螢光生命週期顯微鏡，我們觀察隨時間變化螢光強度，其強度會隨時間增強或減弱，可以藉由此衰減變化了解分子間微小的變化，而瞬間穿透率量測顯微儀則是可以探索半導體、金屬等材料，因受光激發所產生的反應，藉由光穿透率變化以了解電子與電洞的鬆弛時間等…。. 1.

(4) Abstract Recently, lifetime imaging has become a subject of intensive research. Lifetime is an important parameter to understand the dynamics of targeted objects and its applications ranges from fluorescence decay of biological objects to relaxation of semiconductor materials and devices. Many methods, such as time-correlated single photon counting (TCSPC) and phase detection in frequency domain, were developed to measure the characteristic lifetime. These methods are now rather matured and widely applied in various studies. However, these methods are only effective for lifetime longer than 100 picoseconds due to the bandwidth limitation of high-speed electronics. For even faster temporal resolution, novel techniques that do not rely on high-speed electronics will be required. In this study, we are integrating an autocorrelator with a galvo-based laser scanning microscope to enable imaging with very high temporal resolution. The principle and technique of pump-probe is implemented through the autocorrelator. In this way, imaging based pump-probe measurements can be realized. Specifically, we have applied the experimental setup so developed in measuring fluorescent dyes and semiconductor devices..

(5) 目錄中文摘要英文摘要目錄圖目錄表目錄. 第一章. 簡介 1-1 研究動機. 第二章. 1. 實驗原理 2-1 序論 2-2 自相關儀（Autocorrelator） 2-2-1 干涉儀（Interferometer）. 3. 2-2-2 自相關儀（Autocorrelator）的原理. 4. 2-3 激發-探測原理. 第三章. 第四章. 3. 9. 2-3-1 螢光生命週期時間解析顯微鏡. 10. 2-3-2 激發探測螢光顯微鏡. 13. 2-3-3 受激發射（Stimulated Emission）. 14. 2-3-4 螢光飽和度量測. 16. 2-3-5 半導體反射率與穿透率的激發探測. 18. 實驗系統架構 3-1 自相關儀. 22. 3-2 螢光生命週期顯微鏡架設. 23. 3-2-1 掃描式光學顯微系統. 24. 3-2-2 雙通道（頻率）斬波器. 25. 3-2-3 特殊光學元件. 27. 3-3 瞬間穿透率量測顯微鏡. 27. 3-3-1 光電探測器. 29. 3-4 雙鎖相技術與方法. 29. 實驗結果 I.

(6) 4-1 實驗樣品. 31. 4-2-1 螢光染料樣品. 32. 4-2 實驗結果. 32. 4-3 結果與討論. 36. 第五章結論與未來之展望參考資料附錄 A 原理補充 A-1 脈衝鎖模雷射. 42. A-1-1 主動式鎖模. 42. A-1-2 被動式鎖模. 42. A-1-3 鈦藍寶石鎖模雷射. 42. A-2 升頻 Upconversion. 43. B 雷射光源 B-1 激發雷射. 43. B-2 超短脈衝雷射. 44. C 電子偵測系統 C-1 鎖相放大器. 46. C-2 光電倍增管. 48. C-3 高壓電源供應器(High Voltage Power Supply). 49. C-4 光電二極體 Photodiode（光電偵測器 Photodetector） 49. D 光學元件 D-1 半波片. 50. D-2 反射鏡、分光鏡和紅外線濾光片. 52. 全文完. 圖目錄第二章. 實驗原理. 圖 2-1. Michelson interferometer. 4. 圖 2-2. Mach-zender interferometer. 4. II.

(7) 圖 2-3. 干涉式自相關儀. 7. 圖 2-4. 強度式自相關儀. 9. 圖 2-5. 受激發射技術原理. 14. 圖 2-6. 激發探測曲線圖. 15. 圖 2-7. 螢光飽和度量測. 17. 圖 2-8 a-Si:H 不同波長激發探測實驗的 TTT 資料. 21. 第三章實驗系統架構圖 3-1. 自相關儀架構. 22. 圖 3-2. 螢光生命週期顯微鏡. 24. 圖 3-3. FV-300 掃瞄單位. 25. 圖 3-4. （1） Chopper 圖（2） Chopper 規格. 26. 圖 3-5. Copper 旋轉葉片構造. 27. 圖 3-6. 穿透率量測顯微鏡架構. 28. 圖 3-7. 光路圖(二). 29. 圖 3-8. 雙鎖相技術. 30. 第四章實驗結果圖 4-1. Rhodamine 6G. 32. 圖 4-2. 實驗影像（一）. 33. 圖 4-3. 數據分析圖. 34. 圖 4-4. 實驗影像圖（二）. 35. 圖 4-5. GaAs 數據分析圖. 36. 圖 4-6. GaAs 樣品在光學顯微鏡下. 36. III.

(8) 第一章簡介 1-1 研究動機從 1980 年代以來，隨著超快雷射的長足進展，脈衝寬度已經可以到達幾個飛秒等級，並且藉由脈衝雷射的優勢，擁有極大的瞬間功率，可以做許多有趣的研究，例如，非線性光學與其應用，材料光譜分析，材料重要參數量測，乃至醫學治療，生物醫學研究，Lifetime 量測等，此外，目前最快的光偵測器的響應時間約在 2 ×10−11 秒，不是以使用在超快脈衝雷射的寬度（ τ < 10−13 秒）量測上，而且經由不斷的研究，超快雷射脈衝光寬度也越來越小，必須使用自相關儀來量測脈衝寬度，再者，有些元件或是材料的光反應時間都在幾個微微秒（picosecond）等級，因此可以應用在 Lifetime 的量測上，藉由激發-探測原理(Pump-probe)，可以獲得時間上解析度的增加，對於生物材質螢光 Lifetime 或是半導體材料瞬間穿透率及反射率的量測，可以觀察許多在分子等級的反應，以及材料上的研究，然而絕大部分的物質都必須在顯微鏡下才能清楚的觀察到，因此試著找出可行的辦法，思考是否能將兩個種機制結合，實現能在顯微鏡下觀察藉由激發探測技術觀察 lifetime 變化的過程以及穿透率和反射率的改變，我們也可以結合雷射掃描式顯微鏡的掃描機制，取得完整的顯微影像，所以在我們的研究中，目的就是為了要架構一套顯微鏡系統，可以同時在雷射掃瞄式顯微鏡下，獲得探測激發實驗的影像，藉由獲得的影像分析在每一個時間點所觀測到的不同光強度，以還原螢光 lifetime 、瞬間穿透率以及反射率的曲線；在實驗中我們利用 Coherent 公司製造的 Mira900 鈦藍寶石鎖模雷射作為光源，其脈衝寬度大約為 150-200fs，並且架設了一套以馬赫-曾德爾干涉儀（ Macher-Zender Interferometer ）為基礎製成的自相關儀（Autocorrelator），連結到 Olympus 公司生產製造的 FV-300 掃描系統，經由物鏡聚焦在樣品上，經由偵測器接收光，最後由電腦分析獲得我們需要的影像，將獲取的影像，進行分析，所得的資料將可以在生物及材料研究上有更深入的了解。接下來的章節我們會ㄧㄧ介紹，第二章是實驗原理，會解釋自相關儀的架設原理，以及螢光生命週期顯微鏡與穿透率量測顯微鏡，到了第 1.

(9) 三章我們會介紹我們的實驗架構及實驗儀器的使用原理，實驗架構包括螢光生命週期顯微鏡和穿透率量測顯微鏡，並且探討一些新的量測技術，在第四章的部份我們提供實驗結果以及數據來討論，並且尋求問題的解決方式，第五章則是我們的未來工作以及參考資料。. 2.

(10) 第二章實驗原理 2-1 序論本實驗的主要宗旨就是達成激發探測（Pump-probe）技術與雷射掃瞄顯微鏡的結合，激發探測技術必須倚靠超快脈衝雷射才能達到，原因是因為脈衝雷射的瞬間功率較大可以進行非線性的光學實驗，像是二倍頻或是激發探測實驗，在我們的實驗架設就是建構在激發探測原理下，因此，本章節將會一一介紹相關實驗的原理，說明自相關儀、激發探測技術、螢光生命週期量測以及瞬間穿透/反射率量測顯微儀，關於本實驗中的鎖模雷射基本原理，我們在附錄中會介紹。. 2-2 自相關儀（Autocorrelator）由於超快雷射脈衝的寬度都界於或小於 sub-picosecond 以及 femtosecond 等級，必須使用自相關儀(Autocorrelator)來量測脈衝寬度，其觀念是來自於傅立葉轉換中自相關（Autocorrelation）的運算，利用脈衝來量測脈衝寬度，原理是將同一個雷射光源分成兩個，經由一個時間延遲裝置，改變其中一個脈衝的時間點，偵測不同時間點的相對強度，類似數學上的積分運算，可以得到所要脈衝的輪廓。 2-2-1 干涉儀（Interferometer）楊格（Thomas Young，1773-1829）[1]設計了一個雙狹縫干涉儀，首先讓日光通過一個針孔，產生空間同調光（Spatially Coherent light），再將同調光通過兩個狹縫，而產生干涉，證明了光的波動性，而在之後麥克森（Albert Abraham Michelson，1852-1931）利用分光鏡（Beamsplitter）與反射鏡做出一組干涉儀（見圖 2-1）將同調光利用分光鏡分成兩個，一個經由分光鏡穿透達途中右邊的反射鏡（Mirror（1））再反射回分光鏡，再經由分光鏡反射達偵測端，另一個由分光鏡反射達圖中上方的反射鏡（Mirror（2）），反射經原路返回分光鏡，再穿透分光鏡達偵測端，兩道光的光路徑長相同便會在偵測端產生干涉現象；而之後也陸陸續續出現幾種干涉儀的設計，例如麥克詹達干涉儀（Mach Zender Interferometer）[2]（見圖 2-2）等。. 3.

(11) Mirror（1）. BS. Mirror（2） Light Source. Detector 圖 2-1 Michelson interferometer. BS1 Mirror1. 光源. BS2 觀測點一. Mirror2 觀測點二圖 2-2 Mach-zender interferometer. 2-2-2 自相關儀（Autocorrelator）的原理[3] 量測雷射光脈衝的方法大約有三種： I. 光偵測器及取樣示波器（Sample oscilloscope）當光打在光偵測器中，此時偵測器內會產生光電流，轉換成電子訊號，連結到取樣示波器便可還原脈衝波形，但是會受限於偵測 4.

(12) 器的頻寬以及示波器的上升時間的限制，所以大約只能量測到微微秒等級的脈衝寬度，可是現有的雷射脈衝可到飛秒等級，顯然是不夠用的。 II. 條紋攝影機（Streak Camera）由 Zavoiskii 與 Fanchenko 所完成的，此儀器不僅可以量測雷射光脈衝的寬度，也可以反映即時的雷射光脈衝的變化，缺點就是無法量測到精確的飛秒等級的脈衝寬度。 III.. 自相關儀（Autocorrelator）. 目前最普遍用來量測超快雷射脈衝寬度的方法，利用相關函數（Correlation Function）來量測光脈衝，以下將會詳述。自相關儀的相關架設有許多種，一般來說，常使用的方式都是非線性效應中的二倍頻產生（Second Harmonic Generation）機制，稱為二階自相關儀，利用干涉儀配合非線性晶體產生二倍頻光，加上變動干涉儀中的一道光的時間延遲，可以得到脈衝光的二階自相關函數（Second Order Autocorrelation Function）曲線，再利用反捲積（Deconvolution）將光脈衝的時間寬度經由計算還原出來，而非線性晶體中的二倍頻訊號也可以由雙光子吸收光二極體（Photodiode）產生電流訊號代替，用電子儀器分析，而二階自相關儀大致可分為兩類，干涉式與強度式： I. 干涉式自相關儀由圖 2-3 看，將雷射脈衝光源利用 50/50 比例的分光鏡將光分成兩道，之後經由反射鏡將光束再反射回來合為一道，其中在一道光束路徑上的反射鏡設置時間延遲（Time Delay）裝置，可. 以調整兩個光束脈衝的距離，從重合到分離，保持 τ 時間的差距，利用透鏡聚焦至倍頻晶體將光束倍頻，產生二倍頻光，由濾光片將雜光濾除，並同時將反射鏡作線性移動，可以使時間延遲. τ 不斷改變，最後由光電倍增管接收光訊號轉成電訊號，並將訊. 號分析便可得光脈衝的自相關函數。我們利用數學式來表示兩道光束 E1 (t ) = ε (t ) exp( jωt ). （2-1）. E2 (t ) = ε (t − τ ) exp( jω (t − τ )). （2-2）. 5.

(13) 在以上兩個式子中， ε (t ) 是雷射光的脈衝函數，假如複數 ε (t ) 虛部隨時間變化，造成光頻率不斷變動，即所謂的啾頻（Chirping）現象；當兩個脈衝光通過二倍頻晶體並符合相位匹配（Phase Match），會產生二倍頻光，電場則會正比於 [ E1 (t ) + E2 (t )]2 ，強度則 2. 正比於 [ E1 (t ) + E2 (t )]2 ，最後由光電倍增管接收二倍頻的訊號之後可以得到：. P2ω (τ ) ∝ E1 (t ) + E2 (t ). 4. P2ω (τ ) 是二倍頻的功率，正比於 E1 (t ) + E2 (t ). （2-3） 4. 的平均時間積分，將. E1 (t ) 與 E2 (t ) 分別帶入可以得到 P2ω (τ ) ∝ 2 ε (t ). + 4 ε (t ) ε ( t − τ ). 4. 2. 2. +4 Re ε 2 ( t ) ε ( t ) ε ∗ ( t − τ ) exp ( jωτ ) +4 Re ε ( t ) ε ( t − τ ) ε ∗2 ( t − τ ) exp ( jωτ ) +2 Re ε 2 ( t ) ε ∗2 ( t − τ ) exp ( 2 jωτ ). τ. （2-4）. 所以當兩個脈衝重合，即為零的時候，二倍頻功率會達最大值： 4 P2ω (0) ∝ 16 ε (t ) （2-5）然而當兩個脈衝完全分離的時候，意即兩個相乘項 ε ( t ) ε ( t − τ ) 為零，即可得： P2ω (τ ) ∝ 2 ε (t ). 4. ,τ → ∞. （2-6）. 此為背景訊號，並比較（2-5）、（2-6）兩式子的結果，可得背景訊號與最大值比約 1：8，並且帶有 ωτ 、 2ωτ 週期的干涉條紋，當脈衝光內波長隨著時間而線性變化，而有明顯啾頻現象，而脈衝的前緣與後緣將不同調造成自相關函數曲線兩翼的干涉訊號消失，所以經數學模擬運算可以得到啾頻訊號的大小，但是因為 P2ω (τ ) 是對稱函數的關係，所以無法得到啾頻訊號的正負。. 6.

(14) Mirror（1）. BS. Mirror（2） Light Source Variable Delay. ω , 2ω. SH Crystal. 2ω. Filter. PMT 圖 2-3 干涉式自相關儀. II.. 強度式自相關儀如圖 2-4 中所示，強度式自相關儀在經由反射之後，兩道光束. 並不是共線的，所以又可以稱之為非共線自相關儀，當其中的一個反射路徑延遲一次又一次的推進時，偵測器會將高頻 ωτ 、 2ωτ 部份平均掉，此時 2-4 式就會變成： P2ω (τ ) ∝ 2 ε ( t ). 4. = 2 I (t ). 4. + 4 ε (t ) ε (t −τ ) 2. + 4 I (t ) I (t −τ ). 2. （2-7）. 在上式中，前項是兩個脈衝光的個別二倍頻光強度，可以由光圈擋掉，後面那一項就是我們所要的訊號，由此可見，強度式自相關儀的優勢就是可以將背景光由光圈濾除阻擋，結果亦不會受到背景光的影響；所測得的二倍頻訊號由光電倍增管接收，利用光電倍增管所轉換的電流訊號 P2ω (τ ) ∝ I ( t ) I ( t − τ ) ，經由傅立葉轉換中的卷積定理（Convolution Theorem）可得： F. {∫. ∞. −∞. }. I ( t ) I ( t − τ ) dt = F { I ( t )} F { I ( t )} =  F { I ( t )} 7. 2. （2-8）.

(15) 所以  I ( t ) = F −1   F  . {. }. {. 12   = F −1  F P τ 1 2 I t I t τ dt − ( ) ( )  ∫−∞  { 2ω ( )}   ∞. }. （2-9）. 因此我們利用傅立葉轉換再開根號，利用反傅立葉轉換即可以還原脈衝形狀 I ( t ) 。如果已經知道二倍頻自相關訊號的脈衝曲線是何種函數，可以把二倍頻曲線的半高寬（Fall Width at Half Maximum，FWHM），乘上一個反卷積常數，即可得到真實的脈衝寬度，利用高斯函數脈衝為例： I ( t ) = exp ( −t 2 ) ，其半高寬 +t = 2 ln2. 而二倍頻訊號為： . . . . 2  2   P (τ ) = F −1   F { I ( t )}   = F −1   π exp −π 2ν 2    = π exp  −τ 2 2  2  2ω          （2-10）其二倍頻半高寬 +τ = 2 2ln2 ，可以得到 ∆t = ∆τ. 2 ，故將二倍頻的自相. 關訊號半高寬除以 2 即可得到高斯脈衝的半高寬；利用自相關儀的缺點就是因為自相關函數是對稱函數，所以無法量測光脈衝的不對稱性。強度式自相關儀不能測得啾頻訊號的大小，但是由脈衝的時間寬度對頻寬的乘積 ∆t ∆ν 是否接近轉換極限最小值，可以斷定此脈衝是否有沒有啾頻存在；如果這個脈衝的時間寬度對頻寬的乘積遠大於轉換極限，則表示此脈衝有很大的啾頻訊號。. 8.

(16) BS. Delay Line. Light Source. SH Crystal. Filter. PMT. 圖 2-4 強度式自相關儀. III. 雙光子吸收干涉式自相關儀近來國內也有人改良干涉式自相關儀[3]，原因是調動倍頻晶體時必須考慮相位匹配角度的問題，不同的波長有不同的匹配角度，價格也較昂貴，相對地，由於雙光子吸收二極體所產生光電流正比於入射雷射脈衝的平方，與經過二倍頻非線性晶體所產生的是一樣的，利用雙光子效應，入射光的能量必須介於光二極體材料能隙的二分之一及其能隙之間， 12 Eg < hν < Eg ，利用兩個光子將電子從價帶激發至導電帶形成電子電洞對，加上逆偏壓形成光電流，加上放大器即可放大訊號。. 2-3 激發-探測原理 1999 諾貝爾化學獎[4]得主埃及裔美國籍化學教授齊威爾（Ahmed H. Zewail, 1946-），因為他對於科學上的貢獻，他是第一位首先嘗試利用激發-探測(Pump-Probe)發現了原子在化學反應過程中的運動，帶給化學及其他科學領域革命性的影響，化學反應中不管是工業或是生命體中都是倚靠化學鍵的結合及斷裂，所要了解的是如何知道這些化學反應的產生原因，如何從反應物變成產物，因此若能 9.

(17) 觀察到從反應物進行到產物的過渡狀態（transition state），一直是化學家急需了解的。從化學反應動力學來看，分子內與分子間的原子運動速度大約是每一秒一公里（ 103 m sec ），然而從反應物移動至產物，原子往往只需移動一埃（ 10−10 m ）的距離，由時間=距離 ÷ 速度可得大約需要小於十兆分之一秒（ 10−13 sec ）時間精密度的量測方法，大概需要一千兆分之一秒即飛秒（ 10−15 sec ，femtosecond）等級才可以做到，想要量測化學反應中原子的運動，依照過去的量測方法將會是遙不可及的夢想；我們將動態的量測方法分為三大類，機械、電磁以及光學，其中機械性質量測，如相機，可達到百萬分之一秒的精密度，而電磁性量測技術像是示波器（oscilloscope）大約可達兆分之一的精密度，因此就只有光學量測可以到達飛秒的境界，隨著近二十年來的研究發展，超快雷射（ultrafast laser）技術已日趨成熟，使得這項技術才得以實現，但是要如何利用這樣的時間精密度，將過渡狀態的訊號有效的增加並將反應物與產物所產生的大量背景雜訊穩定地分離出來，對此齊威爾教授與他的研究團隊發展出一套新的技術，解決了問題並也開始了飛秒化學（femtochemistry）的研究領域，他們的基本構想是將超快激發探測技術（ultrafast pump-probe technique），利用在化學反應動力學上，一開始先將，激發脈衝（pump pulse）先促使反應開始，當作時間的零點，然後，利用探測脈衝（probe pulse）經由時間延遲（time delay）量測過渡分子的光譜訊號，將反應時間的曲線重建，其延遲時間可以利用改變激發脈衝與探測脈衝兩者之間所走的光程差，做細微的調整，光速約每秒三十萬公里（ 3 ×108 m s ），一飛秒的時間延遲約需要三百三十萬分之一公尺的光程差，如此精密的微小距離可以使用機械移動平台具有小刻度，便可達成；然而時間的精密度（解析度）卻是倚靠脈衝寬度來決定，而不是光偵測器的反應速度，我們亦可以利用每種過渡分子的光譜特性不同，我們可以選擇適當的探測脈衝雷射波長，觀察不同過渡分子的演變，所以超快激發探測技術加上可調波長超快雷射，就成為了「飛秒過渡態光譜技術」（femtosecond transition-state spectroscopy）。 2-3-1 螢光生命週期時間解析顯微鏡[5] 10.

(18) 螢光顯微鏡可以獲得明顯細胞微小結構影像，並且已有許多的研究單位致力於改善空間解析顯微影像藉由減少焦點外的螢光，例如，共焦顯微鏡（Wilson 與 Sheppard，1984；Wilson，1990），改進了空間解析度至次微米，而雙光子螢光顯微鏡（Denk 等，1990），則是利用減少螢光樣品的非線性激發效應來達到空間解析以及減少非焦點處的螢光，將其與共焦顯微鏡比較，藉由雙光子激發明顯地減少了非焦點區域的光漂白（Photobleaching），獲得在聚焦處激發的局部化，雖然，空間解析遠少於進場光學顯微鏡（ Near-field Microscope，Betzig 等，1993）可以獲得的光波長，這個技術也只限於表面的研究；近來，激發探測（激發放射，Stimulated Emission）顯微鏡已經被證實提供比共焦顯微鏡具空間解析以及可能很高時間解析的影像（Dong 等，1995），這項工作的主要焦點是去延伸激發探測方法在顯微鏡下作時間解析的非等向性研究；物鏡獲得影像的區域是建立在一個細胞中轉動探測光的相關時間並且精準地計算非等向性延遲的特徵時間。在螢光顯微鏡中，生命週期解析影像可以提供在生物系統中功能上重要過程的深刻理解，可以描繪色基在區域環境中運動力學的特性，而且，這可以幫助說明在分子等級細胞組成的功能，許多的螢光生命週期影像應用已經被證實，重要的細胞資訊像是鈣濃度或是細胞質基礎黏性已經可以藉由生命週期解析的方法獲得（ Dix 與 Verkman，1990；Keating 與 Wensel，1990；Kao 等，1993），自發性螢光生命週期的量測用來監控 UVA 的照射所造成細胞傷害的現象（Schneckenburger 等人，1992；Schneckenburger 與 Koenig，1992； Koenig 與 Schneckenburger，1994），螢光生命週期也已經用來協助在老鼠大型噬菌中抗原製作（Antigen-processing）平台（Voss， 1990），此外，螢光色基的空間分佈有類似放射頻譜，但是不同的生命週期提供新的相對現象（Draaijer 等人，1995），螢光生命週期解析的研究已也已經成功地導入共焦（Morgan 等人，1991；Buurman 等人，1992）與雙光子（Piston 等人，1992；So 等人，1996）掃描顯微鏡中。在頻率域裡時間解析的量測是藉由光源的調變（Spencer 與 11.

(19) Weber，1969；Gratton 與 Limkeman，1983），由弦波的激發在調變頻 G. G. 率ν = ω 2π 與調變 me ，激發光子通量 I ( r , t ) 的空間 ( r ) 與時間 ( t ) 分布可 G. G. 以寫成 I ( r , t ) = I ( r ) [1 + me sin(ωt )] ；螢光色基分子激發態的數值密度 G N ( r , t ) 隨著一個單一生命週期 τ 遵守微分式： G dN ( r , t ) 1 G G G = − N ( r , t ) + σ I ( r , t )  c − N ( r , t )  （2-11） τ dt G G σ 是分子吸收穿越區域，而 σ I ( r , t ) c − N ( r , t )  代表示基態分子實際被光源激發的數目，而總螢光色基濃度 c 則假設為常數，對於第一階只 G 有一小部分的分子被激發，螢光響應 F ( r , t ) 則是在相同的調變頻率下. 如同激發光但是經由解調以及相位平移： G G F ( r , t ) ∝ I ( r ) [1 + m′ sin(ωt + φ ) ]. （2-12）. 在這 m′ 代表了螢光響應的調變，而 φ 則是他與激發光源相對的相位平移，藉由不是相位平移 φ 就是調變 m = m′ me ，則螢光生命週期可以被計算成： tan (φ ) = ωτ p and m =. 1 1 + ω 2τ m2. （2-13）. 而 τ p 和 τ m 分別代表相位和調變的生命週期，更複雜的激發調變函數，像是雷射的脈衝串，可以被表示成一個傅立葉組成的疊置，螢光訊號可以被表示成每一個傅立葉組成的響應總和（Spencer 和 Webber， 1969；Gratton 和 Limkeman，1983；Gratton 等人，1984；Alcala 與 Gratton，1985；Lakowicz，1999）。時間解析的非等向性研究可以藉由將激發光的極化方向設定成與螢光垂直或平行，對於線性極化 δ 脈衝激發，其平行 ( & ) 與垂直 ( ⊥ ) 的螢光衰減組成可寫成； 1 i& ( t ) = I ( t ) (1 + 2r ( t ) ) 3. （2-14）. 1 i⊥ ( t ) = I ( t ) (1 − r ( t ) ) 3. （2-15）. 其中 I ( t ) 與 r ( t ) 分別是螢光及異向性衰減，對於一個等向性的旋轉機制，則非等向性的衰減，可得： r ( t ) = r0 e −( t Φ ). （2-16）. Φ 是轉動的相關時間，而 r0 則是初始的異向性。 12.

(20) 在頻率域中，異向性是藉由量測不同相位的頻率響應 ∆φ = φ⊥ − φ& 以及介於垂直與平行螢光訊號之間的調變率 Y，對於一個等向的旋轉機制，不同的相位 ∆φ 與平方的調變率 Y 2 可藉由下式獲得： ∆φ =. 3ω R ( k + ω )(1 + r − 2r 2 ) + R ( R + 2k + kr ) 2. 2.  k + 6 R (1 − r )  + ω 2 Y = 2  k + 6 R (1 + 2r )  + ω 2. （2-17）. 2. 2. （2-18）. 在這裡 r 與 R 分別是本質的異向性以及轉動率，而 k 是螢光的衰減比，並注意 R 是旋轉相關時間的倒數，意即 R = 1 Φ ，而螢光衰減率 k 也就是螢光生命週期 τ 的倒數，也就是 k = 1 τ （Gratton 與 Limkeman， 1983；Gratton 等人，1984；Alcala 與 Gratton，1985；Lakowicz， 1999）。 2-3-2 激發探測螢光顯微鏡激發探測顯微鏡已經成功被應用在生物學、化學上超快過程的研究，利用調整激發探測脈衝之間的時間點可以研究其過程時間上的演進（Evans，1989；Fleming，1986；Lytle 等人，1985），一般的方法是利用強烈的脈衝光（激發光）去激發樣品，再利用較弱的脈衝光（探測光）去取樣基態的分子密度，在這些脈衝的時間分隔點是由機械裝置的延遲來調整它的延遲，這種型態的激發探測頻譜的時間解析度是依照雷射的脈衝寬度而定，在可見光與近紅外光的婆長範圍內，光脈衝的區間大約是幾個飛秒，超快現象在許多的生物系統中，包括光合成反應中心，視網膜色素，以及血紅素蛋白質，都已經開始有這方面的研究；在激發探測技術有一個可以替換的方法，就是由 Lytle 團隊首先構思的不同步取樣版本（Elzinga，1987），在此方法中，兩個脈衝光束有不同的重複率（Repetition Rate），同時聚焦在樣品上的一點，引發激發探測的效應，重複率的差異同等於在激發與探測脈衝之間可變的延遲，此延遲的效應是對於重複地取樣分子的基態密度於激發的雷射脈衝後的連續不斷時間區間內，在此產生的激發探測的頻率域分析顯示了螢光訊號的（高）頻率成分被平移至雷射交叉相關（Cross-correlation）頻率及其諧波（Harmonics），這些頻率組成 13.

(21) 可以被分析以獲得時間解析的資訊，諧波大小可以被探測超過 12GHz （Berland 等人，1992），代替探測脈衝瞬間吸收的取樣，可以選擇它的波長從激發態分子密度去引起受激發射（ Stimulated Emission）。影像顯微鏡建構在非同步取樣技術下提供了比利用機械裝置控制延遲的等效技術多幾個優點，藉由機械裝置延遲線的方法擷取時間解析的影像，不是在一個畫素中測得所有的螢光特性藉由在移動到下一個畫素以前雷射光束跑過一個系列時間延遲，就是由在特定一個時間延遲點掃得全部的影像，並且連續地重複於所有的時間延遲點，獲得一系列相同的時間切片影像。 2-3-3 受激發射（Stimulated Emission）受激發射技術基本原理見圖 2-5，兩到雷射脈衝光聚焦在樣品上同一個區域，其兩個雷射的脈衝重複率些許地補償，而雷射波長則是選擇可以由激發光將螢光激發的波長並且可以產生受激發射的探測光波長，由探測脈衝光激發態分子密度的光學調變產生外差式的螢光訊號，也就是螢光衰減的傅立葉頻譜轉換成交叉相關頻率的範圍，而脈衝雷射（飛秒雷射具 THz 等級）高次倍頻（諧波）立刻提供衰減頻譜多重諧波的取得，螢光訊號包含交叉相關的諧波可以藉由濾光片隔離，因為其發射的光波長與激發和受激發射的不同。. 吸收頻譜. 發射頻譜. Relative Intensity. 受激發射吸收. 螢光檢測. λEm λ′. λ. 圖 2-5 受激發射技術原理. 14. Wavelength.

(22) T1 =. 2π. 激發光螢光. ω1. T1. 0 T2 =. 3T1. 2T1. t. 4T1. 2π. 探測光剩餘螢光. ω2. T1 T2. 0. 2T1 2T2. 3T1 3T2. 4T1. 4T2. t. 激發探測受激發射. 3∆t. 2 ∆t. ∆t. 0 振福. 4∆t. t. 激發探測螢光頻譜. ω ∆ω. 0. 2 ∆ω. 3∆ω. 4 ∆ω. 5 ∆ω. 相位圖 2-6 激發探測曲線圖. ω 0. ∆ω. 2 ∆ω. 3∆ω. 4 ∆ω. 5 ∆ω. 圖 2-6 顯示時間點的圖，點出了激發探測（受激發射）技術的原理，激發雷射的脈衝鏈週期性激發螢光色基並且一致地產生一系列的螢光衰減，在激發迴圈的增加數值，探測光的脈衝延遲也與激發脈衝光相對應，基本的延遲或是等效的取樣時間都決定於雷射脈衝的重複 15.

(23) 率之間的差，舉例來說，假如一個雷射的重複頻率大約是 76.2MHz，其補償頻率是 5kHz，其等效取樣時間就是 860fs，在探測脈衝的到達，一致地產生受激發射造成實際的螢光下降因為受激發射光子傳導與探測脈衝在同一方向（Sargent，1974），受激發射訊號的大小與螢光的下降都是依據探測脈衝雷射光到達時激發態分子的數量，激發態的分子密度藉由探測脈衝在不同的延遲時間激發後所取樣得到的，其一致相同的時間解析資訊可以藉由觀察受激發射（與探測脈衝相同方向）或是在所有其他方向發射的剩餘螢光訊號可以獲得。一般來說，光探測激發的實驗擷取資料的方式都是以傅立葉進行運算的動作，在此受激發射的激發探測實驗中，假設剩餘螢光強度 G F ( t ) ，而激發態螢光色基的密度 N ( r , t ) 的微分式可以改成： G dN ( r , t ) 1 G G G G G （2-19） = − N ( r , t ) + σ I ( r , t ) c − N ( r , t )  − σ ′I ′ ( r , t ) N ( r , t ) dt τ G G 其中 I ( r , t ) 與 I ′ ( r , t ) 分別代表空間與時間的強度分布，如同第 2-11 式. 中，τ 是螢光色基的生命週期， σ 是吸收分子吸收穿越區域，而總螢 G. G. 光色基濃度 c 則假設為常數，新增的項 −σ ′I ′ ( r , t ) N ( r , t ) 則是激發態分子藉由受激發射回到基態的數量，而 σ ′ 代表（波長相依）受激發射的穿越區域；所以利用傅立葉運算將激發光與探測光的脈衝週期分別以週期 T 與 T ′ ，重複頻率 ω = 2π T 與 ω ′ = 2π T ′，可以求得剩餘螢光 F ( t ) ： F (t ) =. qcτσσ ′ ∞ L ( nω ) L′ ( nω ′ ) G G G cos  n (ω ′ − ω ) t − φn  ∫ I ( r ) I ′ ( r ) d 3 r ∑ 2 2 n =0 1 + ( nωτ ). （2-20）. 上式中， L ( nω ) 與 L′ ( nω ′ ) 分別是激發光與探測光雷射的時間脈衝輪廓 L ( t ) 與 L′ ( t ) 的傅立葉係數， q 是分子總量，相位平移 φn 則可由. φn = tan −1 ( nωτ ) 可得，而其振幅 L ( nω ) L′ ( nω ′ ). 1 + ( nωτ ) 與相位 φn 皆含有 2. 螢光生命週期 τ ，當 n=1，其結果將與 2-13 式相同，因此，藉由量測訊號在交叉相關頻率的振幅與相位頻譜，螢光生命週期 τ 可以由 tan φn = nωτ 與 L ( nω ) L′ ( nω ′ ). 1 + ( nωτ ) 計算出來，注意高頻響應會被兩 2. 個因素所限制： L ( t ) 與 L′ ( t ) 各別產生的探測與激發雷射的諧波，或是生命週期的調變因子 1 + ( nωτ ) 。 2. 2-3-4 螢光飽和度量測我們換個實驗方式，在雷射光源強度足夠之下，假如能夠利用 16.

(24) 此雷射光，將激態的螢光分子全都激發至激發態，由於在激發探測的實驗中，假如兩個光的強度一樣夠強，都具有激發光的效用，在此情況下，可以達成我們所要的飽和度量測。假設基態 S0 的螢光色基分子數量為固定，先由光強度夠強的激發光將螢光分子從基態激發至激發態 S1 ，並且達飽和狀態，同時間，強度與激發光幾乎一樣的探測光，在進行激發的動作，由於基態的光子數已經被激發至激發態而達飽和的狀態，探測光則已無光子可以激發，當時間慢慢增加時，從 S1 到 S2，光子停留在 S2，再由 S2 產生螢光，這段時間時，光子陸續回到基態，當移動時間延遲至下一個時間點，探測光將掉回基態的螢光分子再激發，時間越增加光子掉回地面的數量越來越多，探測光激發的光子數目也會越來越多，所偵測的螢光強度也會越來越強，由圖 2-7：振盪能級. S1 電子激發態. S2. S0. 電子基態. 振福. 激發螢光頻譜. ω 0 振福. ∆ω. 2 ∆ω. 3∆ω. 4 ∆ω. 5 ∆ω. 探測螢光頻譜. ω 0. ∆ω. 2 ∆ω. 3∆ω. 4 ∆ω. 5 ∆ω. 圖 2-7 螢光飽和度量測 17.

(25) 其探測光的激發螢光的曲線，與圖 2-6 相較之下，剛好是相反的曲線，藉由反轉，我們一樣可以得到螢光生命週期的衰減曲線。 2-3-5 半導體反射率與穿透率的激發探測超短脈衝雷射的應用相當廣泛，例如，在薄膜中能量傳輸特性的非破壞性檢測，而激發探測技術可以監視到樣品表面的反射率與穿透率變化，對於金屬來說，反射率與穿透率的變化又與溫度與張力有關，在表面瞬間溫度的輪廓可以用來計算在電子與聲子之間耦合的比率，而對於半導體來說，反射率與穿透率的改變與電子能階和溫度的改變有關，瞬間熱穿透實驗可以用來觀察電子電動重合現象與熱電子的熱度，透過瞬間熱反射率（Transient Thermoreflectance，TTR）與瞬間熱穿透率（Transient Thermotransmittance，TTT）技術與激發探測實驗的結合，可以一一的被計算出。[5][6] I. TTR 超短脈衝雷射有著約微微秒至次微微秒的脈衝區間，可作為理想的非破壞 TTR 金屬薄膜熱傳輸量測，藉由將能量沉積在空間與時間局部化，可以把在電子與聲子（晶格）系統熱量變化具有高解析，因此提供了電子聲子鬆弛動力學的觀察，對於時間解析超短脈衝是不可缺的，但是也造成了不均勻的熱能，為了量測熱能特性，在薄膜的反射率與理論的熱響應之間的關係必須了解；由 Anismov 提出的二溫度模型以及之後由 Qui 與 Tien 重新命名的二步拋物線模型（Parabolic Two Step，PTS）模型： Ce (Te ). Cl. ∂Te ∂  ∂T  =  ke (Te , T1 ) e  − G [Te − Tl ] + S ( x, t ) ∂t ∂x  ∂x . ∂Tl = G [Te − Tl ] ∂t. （2-21）（2-22）. 這些方程式個別代表能量電子與聲子系統的平衡，並且藉由電子-聲子耦合因子 G 來耦合，在 2-21 式中，電子熱容量與電子溫度呈線性關係， Ce (Te ) = Ce′Te ，而 Ce′ 就是電子熱容量常數，熱傳導係數則是依據電子與晶格溫度，如， ke (Te , T1 ) = keq [Te Tl ] ， keq 是平衡熱傳導率，而晶格熱能容量，Cl ，與 G 對於在 Debye 溫度下的微小溫度變化來說是常數，而來源項， S ( x, t ) ，則可得：. 18.

(26)  x  t exp  − − 2.77  S ( x, t ) = 0.94 J τ τ pδ  δ  p  1− R.   . 2.    . （2-23）. 在此 x 方向即是垂直薄膜表面， J 則是雷射流通量， τ p 是雷射脈衝寬度（~200fs）， R 是薄膜反射率，而 δ 是光學滲透深度， R 的改變一般來說約小於 0.1%，如此對於模型的用途， R 在來源項可以當成常數，一個一維熱能模型的設想對於小於受熱區域的直徑的薄膜厚度來說是有根據的。激發探測實驗技術用來量測樣品表面的反射率改變，有關反射率的改變對溫度的改變藉由 PTS 模型預言經由複數介電函數完成： ε (ω ) = ε1 (ω ) + iε 2 (ω ). （2-24）. 在此 ε1 (ω ) 與 ε 2 (ω ) 是介電函數的實部與虛部，材料的複數折射系數， nˆ ，由介電函數的平方開根號求得， ε = nˆ = n + ik ，一旦折射係數的實. 部與虛部已知，難處就是在計算 Te 與 Tl 的 ε 函數相依，介電函數取決於吸收結構，在金屬中可以包含能帶間與能帶內躍遷，對於藉由能帶間躍遷吸收要發生，其光子能量必須近似或大於電子能帶之間的能隙，在能帶內躍遷完全地發生在一個單一能帶而且因此沒有最小能量需求，電子結構與每個材料光子能量的近似值最接近能帶間躍遷能量將會決定首先的吸收程序；當入射探測光子能量接近能帶間躍遷能量，反射率對於這個能帶間躍遷會非常敏感，Rosei 與 Lynch 提出關於因為在能帶間躍遷造成的介電函數的複數部分改變的一個粗略模型，一旦這個介電函數的虛部於所有的波長都知道時，則 Kramers-Kronig 的關係可以用來計算未知的實部，在反射率與溫度之間線性關係的近似值，對於在電子系統中溫度變化小於 100K 來說是合理的，重要的是要注意預料的熱反射率響應的大小因為能帶間躍遷大約在 10−4 K −1 級；甚至對於探測光子能量遠在第一能帶間躍遷能量之下，金屬薄膜已經被證明會顯現電子熱反射率響應，其中，Drude 模型被用來估計複數的介電函數，藉由電子相撞的溫度相依被作用，這個介電函數假設一個近似自由的電子模型可以被表示成以下的方程式： ω p2 ε = 1− ω (ω + iωτ ). （2-25） 19.

(27) ω 是入射光頻率，ω p 則是電漿角頻率，而 ωτ 則是電子碰撞頻率，電子. 碰撞的溫度相依部分則可寫成： ωτ ≈. 1. τ. = AeeTe2 BepTl. （2-26）. Aee 與 Bep 是常數項係數，這個表示式反映了電子-聲子碰撞頻率與在. Debye 溫度之上的溫度 Tl 成比例關係的事實，然而電子-電子的碰撞則是在室溫時明顯地頻率較少，而且通常與 Te 平方成正比，起因於能帶內躍遷的反射率響應，則是小於能帶間躍遷１００倍大小，既然熱反射率響應對於探測光子能量微弱小於能帶間躍遷能量，所以通常需要大的溫度改變去獲得一個可觀的訊號，然而，對於大的電子溫度改變（100K 的等級），其因能帶內躍遷熱反射響應是非線性的而且此響應必須計算在內。在非貴躍遷金屬像是 Ni 與 Pt 中，能帶間躍間可能遍及雷射調整範圍，而且可偵測的訊號可達許多較小的溫度改變，既然在這些樣品的電子與晶格溫度的改變相當小（小於 100K），因此合理的假設反射率與溫度之間的改變是一個線性關係： ∆R 1 = ( a∆Te + b∆Tl ) R R. （2-27）. a 是依據在 TTR 數據中初始快速瞬間峰值的相對大小。 Te 而 TTR 響應可以用來計算 keq 或是 G，G 的量測典型就是利用在光學的. 薄膜上，保證正向於薄膜表面的熱一致性，在薄膜上既然沒有溫度梯度變化，在 2-21 中熱漂移項的影響將會被減小，認同對於 G 的量測沒有薄膜熱傳導的精確消息，一個 Crank-Nicolsonu 有限差分法用來解決 PTS 模型以求得 G 值，然後對於 Te 與 Tl 計算的值可以用在鑑別熱反射率模型以計算 ∆R R 理論值，G 值則是由最小平方擬合程序藉由比較週期性溫度響應實驗數據求得。 II. TTT 超快雷射與激發探測技術已經用來研究半導體中電子-電洞熱化過程，需利用光子能量超過半導體光能隙，電子被激發至導帶內的擴展態，可以研究半導體 a-Si:H 與相似的合金利用在光電流電池薄膜樣品的快速載子動力學，指數型能帶尾存在非晶體半導體光能隙中，不像結晶的半導體材料，由於這類型材料的，當我們利用脈衝光通過 20.

(28) 時，初始會有一個很陡峭的尖形下降，如圖 2-8 所示，是因為吸收增加，以及接踵而來的快速衰減，受激發的電子在指數能帶尾以及因為快速衰減造成的深井鬆弛，於幾個微微秒下達到一個剩餘值，此值之後則會緩慢的減少，探測吸收持續緩慢的減少到發生再重合與被激發的區域恢復到熱平衡狀態，這個吸收的改變與自由載子的再重合有關，並且可能用來了解熱電子的鬆弛反應（Relaxation），衰減曲線以及正向掃描的殘值對於入射光能量、非均勻載子動力學與熱效應非常敏感，也由於各種材質的曲線也不盡相同，所以 TTT 技術可以用來做許多的研究，利用在元件製造的研究上。. 圖 2-8 a-Si:H 不同波長激發探測實驗的 TTT 資料（擷取自 Ref【6】）. 21.

(29) 第三章實驗系統架構 3-1 自相關儀在架設激發探測的實驗系統中，我們首先必須架設一套自相關儀光學系統，為了能改變兩個雷射脈衝之間的距離，因此此系統必須具備時間延遲的裝置，一開始我們選擇了麥克詹達干涉儀（Mach Zender Interferometer）做為我們自相關儀的基本架構，見圖 2-2，此干涉儀具有兩個優點： 1. 兩道光的路徑可以完全的分離，使受測物在安排時更有彈性。 2. 透明受測物較無多道反射光的干擾，而麥克森干涉儀的光路由於來回都是同一條路，因此雜訊較大。在麥克詹達干涉儀裡，我們利用兩個分光鏡，以及數個反射鏡，同樣地，在自相關儀的部份，見圖 3-1，雷射光源，首先先經由一個 50/50 的分光鏡，光經由反射與穿透分成兩道光強度一樣的光，在兩個光路徑上設置後向反射鏡（Retroreflector），並將其中一個架設在平移台上，即為我們所需要的可調時間延遲，最後再由一個分光鏡將兩道光合併，而為了要加上雙通道的斬波器（chopper），將光路做了一些調整，此雙通道的斬波器將會在下面章節提到，. Chopper Delay Line. BS2. BS1. 圖 3-1 自相關儀架構 22.

(30) 3-2 螢光生命週期顯微鏡架設我們架設了一套顯微系統，結合時間解析與雷射掃描式顯微鏡，具有影像的功能，建構在激發探測的原理下，如圖 3-2 所示，首先由 Verdi 雷射產生 7.5W532nm 波長的綠光雷射，去 pumping 鈦藍寶石雷射（由 Coherent 公司生產製造的 Mira900），可以產生的波長範圍約從 750nm~930nm 的近紅外光（NIR），一般來說約設定在 780nm，而此時功率約 1000mW，經過我們的自相關儀的裝置，同時間由斬波器調變雷射光源，之後利用倍頻晶體（Second Harmonic Crystal）產生倍頻光 390nm 的紫外光（UV），進入我們的雷射掃瞄系統，此掃描系統是採用 Olympus 公司生產的 FV-300，因為此儀器內部具有 X-Y galvanometer mirror 可以將雷射光點作 X-Y 平面的掃描，同時間，斬波器所調變的頻率作為鎖相放大器（Lock-in Amplifier）的參考頻率經由物鏡聚焦於樣品上產生螢光，並由物鏡收光，再由光電倍增管作為偵測器接收微弱的螢光訊號放大轉為電訊號，進入鎖相放大器，則是可以將背景訊號與參考訊號不同的訊號加以濾除，最後，經由電腦可以得到我們要的影像，而要達到生命週期的量測，則隨著調動平移台上的前後距離，可以將兩道雷射脈衝光的脈衝距離自由調整，並藉由每個時間點不同，螢光強度也不同，經由比對時間點螢光大小，可以還原螢光的螢光衰減生命週期，即為本實驗架構的實驗方法。. 23.

(31) 圖 3-2 螢光生命週期顯微鏡. 3-2-1 掃描式光學顯微系統我們在螢光生命週期顯微鏡中的掃描機制，是使用 Olympus 公司出產的 FV-300 掃瞄顯微系統[7]，此系統架構中的光學元件適合的雷射光源，大約是在可見光 400~800nm 左右，與本實驗架構的 390nm 相去不遠，並且其系統可變動性高，方便我們針對實驗需求進行改裝；而此儀器具有 XY galvanomirrors，此 XY galvanomirrors 是利用步進馬達控制，藉由兩面反射鏡在 X 方向與 Y 方向快速移動，可以完成 XY 平面的掃描，系統內部設定，一張 1024×1024 的圖約只需要一分鐘，而考慮到光電效應的變化時間，以減低掃描單位的掃描速度，而此時原有廠商設定的速度設定範圍已不敷我們實驗的需求使用，希望可以得到 100Hz~2000Hz 的掃描頻率，所以我們可以利用外部驅動，由一台訊號產生器連接到電腦內部控制掃描速度的單位，設定產生頻率，由訊號產生器驅動控制掃描速度，進行慢速掃瞄，藉此可以配合因為反應較為慢的光學現象，提供比較清晰的影像，細部構造見圖 3-3：. 24.

(32) 圖 3-3 FV-300 掃瞄單位. 3-2-2 雙通道（頻率）斬波器本實驗中使用一個斬波器來調變光訊號，此斬波器是由 EG&G[8] 公司生產，見圖 3-4（1）（2），其特色就是擁有雙通道，同時有兩個調變頻率，其內部有一個葉片，此葉片由一個馬達驅動，藉由一個鎖相迴圈利用內部石英晶體振盪器或是輸入外部的控制頻率可控制轉速，其中內圈有 11 個孔，外圈有 18 個孔，可以同時調變兩個光源，那麼它有三個輸出頻率，包括 f1 、 f 2 以及兩個的相加項 f1 + f 2 ，其中相加項 f1 + f 2 可以讓我們在鎖相放大器上擷取到我們要的激發探測訊號，而 f1 與 f 2 可以個別地獲得激發光的訊號與探測光訊號：假設設定總頻率 f1 + f 2 Hz 則 f1 =. Sum × 18 Hz 29. f2 =. （3-1）. Sum × 11 Hz 29. （3-2）. 圖 3-5 是斬波器內部葉片的構造。. 25.

(33) 圖 3-4（1） Chopper 圖. 圖 3-4（2） Chopper 規格. 26.

(34) 圖 3-5 Copper 旋轉葉片構造. 3-2-3 特殊光學元件以下介紹幾個本實驗中的光學元件： I. 倍頻晶體倍頻晶體常見就是利用 LiNbO3、LiIO3、BBO、LBO、KTP[9]（磷酸氧鈦鉀，KTiOPO4）、KDP（磷酸二氫鉀，KH2PO4）等材質所製成的，早在雷射發明時，非線性光學晶體材料需具非中心對稱、高雙折射、高光電係數，實驗室中使用的是 BBO 晶體，將 780nm 的雷射光通過此晶體可以得到 390nm 的倍頻光，便可得到紫外光的範圍，進行我們的單光子螢光實驗。 II. 分光鏡我們使用 Newport 公司生產的分光鏡，型號為 MB.2 的非極化立方體分光鏡，適用波長在 700~1000nm，穿透與反射比為 1：1，各佔約 45 ％，此立方體是用兩個直角三角形合成，相結合的那面鍍上一層具寬波長範圍的金屬介電混合分光效果，四面則是利用抗反射鍍膜，對於所有波長範圍的表面反射率縮小，也因為這些鍍膜，所以雷射強度不能太強。. 3-3 瞬間穿透率量測顯微鏡我們也設計了一套光學顯微系統，建立在激發探測技術上，建構 27.

(35) 此系統的目的，是為了要觀察半導體，例如矽，或是一些元件，探討光對半導體物性的改變，以及電子與聲子之間的變化，此結構主要的架構仍然承襲螢光生命週期顯微鏡的架構，我們做了些許的修改，並且保留具有影像的功能。如圖 3-6 所示，我們一樣利用 Verdi 雷射產生 532nm 的波長，經由鈦藍寶石鎖模雷射產生約 800nm 波長的雷射，通過激發探測光學系統，其中不同於螢光生命週期顯微鏡的架設，我們在激發光的路徑上增加了半波片（Half-wave Plate），用來旋轉雷射極化方向，使兩道光成平行或是垂直，同樣地，此時利用斬波器調變雷射光源，將其作為鎖相放大器的參考頻率，之後將光導入掃描機制 FV300 中，做 X-Y 方向的掃描，經過物鏡聚焦在樣品上，這架構是穿透式顯微鏡的架設，所以在穿過樣品後，先利用極化片濾除雜光，以純化我們要接收的光，再利用光電探測器（Photodetector）接收光訊號，並轉換成電流訊號，經由鎖相放大器濾除雜訊，最後利用電腦擷取影像。. 圖 3-6 穿透率量測顯微鏡架構. 此實驗的光路也做了些許的改變，如圖 3-7 所示，我們在其中一個光路徑上，即激發光路徑，設置了一個半波片，經由這個半波片，以改變激發光的極化方向，之後通過斬波器，再與探測光會合。. 28.

(36) 圖 3-7 光路圖(二). 3-3-1 光電探測器在本實驗架構中，由於光通過樣品之後，光強度依然很強，對於不能接收太強的光電倍增管，可能會導致光電倍增管被破壞，所以我們必須選擇適當的偵測器，由於在穿透樣品以後光仍然是雷射光源，適合用光電探測器來接收光；我們使用 UDT 公司生產的 UV-100 型的光電探測器，基本原理請參見附錄 C-4。 3-4 雙鎖相技術與方法在激發探測這個實驗中，由於我們的光學系統裝置中，會有兩道光束，我們便採用了一個具有雙頻的斬波器，此雙頻的斬波器具有兩個通道，兩通道的頻率比 18 比 11，假設光經由偵測器接收，再利用鎖相放大器濾除不要的背景雜訊，雖說我們的斬波器可以同時接收兩道光束，但是當兩個光在接收訊號時鑑別率過低，以致於我們在判別結果時，會有些許的麻煩，所以我們選擇嘗試新的架設方式，新的結構是將兩台鎖相放大器串聯，並且使用兩台斬波器，調變光頻率，架構圖見圖 3-8，當光分別經由斬波器調變光源，我們設定激發光光路上的斬波器，頻率為 3kHz，而探測光的斬波器的頻率，則是與激. 29.

(37) 圖 3-8 雙鎖相技術. 發光的斬波器頻率相差十倍，使得兩個斬波器的訊號鑑別率提高，設定在 300Hz，並且將激發光的斬波器頻率連結到第一台鎖相放大器作為參考頻率，同時將探測光的斬波器連結到第二台鎖相放大器，相同地，將其頻率作為參考頻率，此時，當我們的偵測器接收到光訊號以後，將訊號聯結到第一台鎖相放大器的輸入端，再將訊號輸出端連接到第二台鎖相放大器的輸入端，才將輸出端連結至電腦，在此架構中，我們必須調整鎖相放大器上的參數，當第一台鎖相放大器擷取到激發光的訊號，意即鎖住訊號時，此時利用軟體控制掃描機制固定在一點上，光聚焦在樣品上，便可以確認接收的訊號是正確的，之後，我們才開始調整第二台鎖相放大器，調整參數，鎖住探測光的訊號，此時我們可以獲得靈敏度相當高的偵測訊號，當我們調整延遲時間的裝置，即平移台，當兩個光的脈衝重疊時，可見各別的鎖相放大器上的值，可達最大值，而當兩個光源漸漸分離時便可見到數值逐漸降低，這便是我們的偵測方法，由於這樣的偵測方式會導致掃描無法順利擷取到影像，因此仍須再進行一些修改，以達到獲得影像的目的。. 30.

(38) 第四章實驗結果本章節中我們將會討論兩種不同的系統架構針對不同的樣品進行實驗，而所獲得的結果加以分析：. 4-1 實驗樣品在螢光實驗中，常常需要使用到螢光染料，針對於此，我們嘗試將幾種常用的染料作為本實驗的樣品，由於我們的實驗架設是利用微微秒以及次微微秒等級的脈衝雷射作為光源，因此，對於樣品的選擇上，我們必須選擇生命週期較短的螢光染料才能適合出本實驗架構，在本實驗中我們挑選了幾種螢光染料， R6G 、 Qdot 605 、 Coumarin522B，作為螢光實驗中的樣品；在穿透率架構的實驗中，我們找了幾種半導體材料來嘗試，由於半導體的響應時間往往只在幾個奈秒（nanosecond，ns）甚至是微微秒等級，對於使用超短脈衝雷射是很適合的，我們也嚐試了幾種半導體材料與金屬，如砷化鎵、矽、金與元件，以下是我們的樣品材料基本介紹： I. R6G R6G（Rhodamine 6G）是一種常見的螢光染料，用在生物細胞的研究上，也有相關研究是用在染料雷射上，圖 4-1（1）是 Rhodamine 6G 型染料的其中一種的化學鍵結結構，一般來說，其吸收波長約在 488nm 到 580nm 左右，放光則是大於 500nm。 II. Qdot 605 Quantum dot 染料是近幾年相當熱門的染料，由美國 Quantum Dot Corp. 公司生產，是創新的奈米科技，具有光譜的專一性，而且不會衰減，螢光強度極為鮮明亮麗，量子點(quantum dot)是人工雷射切割出來的半導體奈米晶體。所有超過能階差距門檻的光子都能吸收，但量子點放出光線的波長，也就是顏色，卻是與量子點的大小有密切相關。同時，不像一般有機分子的染料很快就會被分解，量子點產生的螢光時間可延長數千倍以供長期追蹤。而且只要在單一光源的激發下，量子點間因大小稍微的不同即可被激發出不同顏色的光，以區分不同的生物分子。. 31.

(39) （1）（2）圖 4-1 Rhodamine 6G. （3）. 4-2 實驗結果我們列舉幾個樣品藉由掃描機制 FV-300 所得到的影像來做討論，首先，我們將討論螢光樣品的實驗結果，我們將螢光染料滴在面紙纖維上，在半導體的樣品製作方面，我們將半導體與金屬鍍在玻璃上，厚度約幾百個奈米，雷射光源經由物鏡聚焦，產生我們所需要的光訊號，經由偵測器接收之後，連結至鎖相放大器，濾除不需要的訊號，擷取訊號之後由電腦呈現所掃描的影像，以下便是我們的影像圖示。 4-2-1 螢光染料樣品本實驗方式先要找到兩個脈衝的重疊點，簡單地利用示波器以及光電倍增管接收光源，將訊號線連接至示波器的輸入端，此時要將掃描機制設定電腦控制使得其雷射光束不進行 X-Y 平面的大範圍掃瞄動作，而呈現一點，再調動探測光光路上的平移台，由於兩個脈衝個別會在示波器螢幕上顯示電流訊號，而當我們的脈衝重疊時，其訊號的振幅達最大，此時便可以確定重疊點，記住平移台上的刻度；接著，開始我們的實驗，利用平移台移動刻度，以找到的重疊點為原點，每 32.

(40) 一個刻度是 0.01mm，移動一格就進行掃描影像的動作，紀錄每一點的圖像：（1）. （2）. （3）. （4）. （5）. （6）. （7）. （8）. （9）. （10）. （11）. （12）. 圖 4-2 實驗影像（一）. 此圖是利用 Q-dot 605 的螢光，使用波長 390nm 的雷射激發，擷取探 33.

(41) 測光的圖像，光電倍增管 PMT 電壓 200 伏特，雷射光源在樣品上約 40mW，圖 4-2（12）是脈衝重疊點。由於平移台每次移動的格數距離為 0.01mm，光路經由向後反射鏡，前後移動一格，光路移動 0.02mm，我們可以得到每次移動兩個脈衝的距離： tmov =. 2 ×10−5 m = 67 fs 3 × 108 m s. （4-1）. 因此每張圖的時間距離，即為 67 飛秒，所以可以將每個時間點的光強度進行數據分析，Olympus 公司 FV300 掃描機制的軟體可分析光強度，得到對比的光強，如圖 4-2 中，有強度色標，紅色代表最強，藍色最弱，黑色部分則是無光訊號的地方，經由 Origin 軟體將數據還原可得圖 4-3： B 100. intensity(%). 80. 60. 40. 20. 0. -400. -300. -200. -100. 0. 100. 200. 300. 400. 500. fs. 圖 4-3 數據分析圖. 接著，我們再看另一套圖像，此系列圖像是將砷化鎵粒子鍍在玻璃上 [10]，影像的模糊由於兩道激發與探測光雷射的相互干涉所造成的結果，我們一樣將此結果做分析，見圖 4-4 與圖 4-5：. 34.

(42) 圖 4-4 實驗影像圖（二）. 此實驗是利用波長 800nm 的脈衝雷射，利用光偵測器來接收光源，外部掃描速度設定為 300Hz，雷射光聚焦在樣品上的功率為 100mW，此樣品 GaAs 鍍在玻璃上，影像黑色的部份則是金屬。. 35.

(43) 圖 4-5 GaAs 數據分析圖. 圖 4-6 GaAs 樣品在光學顯微鏡下. 圖 4-6 顯示的是我們的 GaAs 樣品於光學顯微鏡下的圖像，分別由反射式影像、差分干涉影像以及極化顯微鏡的影像。. 4-3 結果與討論我們將以上的兩種樣品所擷取到的圖像，也就是每移動一格平移台上的刻度，就擷取一張圖像，每個時間點就是 67fs 的間隔，再利用軟體分析將圖中區域性的光強度隨時間增加與減少，由 Origin 運算軟體將每個時間點串連，還原出時間延遲曲線。將上面兩個實驗的結果比對，我們發現此曲線與雷射脈衝的寬度 36.

(44) 相似，計算半高寬（FWHM）可得第一張圖約 200fs 左右的寬度，第二張圖的半高寬也約在 200fs 左右，明顯的表示出，此兩套圖像的曲線圖剛好鈦藍寶石鎖模雷射的脈衝寬度相符，驗證我們可以在掃描機制下，成功地獲得自相關儀的影像，但是也經由實驗的結果，發現此系統架設仍然有些許需要改善的地方： 1. 由於以上兩個實驗，我們都是利用共線（Collinear）的光路，當光要離開自相關儀的時候我們是將兩道光路緊緊的合併，但是經由實驗驗證，當光脈衝聚焦在樣品上時，會同時產生自相關的訊號以及激發探測的訊號，但是在此情況下，往往都是自相關訊號較為明顯，導致激發探測的現象可能會因為我們使用鎖相放大器濾除背景訊號，經由高對比的影像下，而無法被放大，所以可解決的方式，有必要將兩道脈衝光束，在我們的自相關儀的尾端，將激發光與探測光分開至約 2~5mm 的距離，近似非共線（non-collinear）的方式，在通過進入掃描機制前的光學元件，如反射鏡，都以此距離保持平行，並且導入掃描機制中，再進入顯微鏡的物鏡，經由物鏡聚焦在樣品上，將兩道光同時聚焦在同一點上，如此一來，我們的激發探測效應才可以被顯現出來。 2. 在第一個螢光生命週期實驗中，我們利用的實驗原理，是利用強度極強的脈衝光，將基態螢光分子激發，使其在激發態呈現飽和狀態，再利用光強度相同的脈衝雷射光進行激發的動作，但是由於我們的雷射光源的脈衝很短，屬超快雷射，如要得到明顯的激發探測效應，必須選擇當螢光染料，其 S1 到 S2 的停留時間需要夠長；第二種方式改善此系統的方法，就是加入（up-conversion）的原理，也就是在原本的實驗架構下，加入新的裝置，並做修改，此原理，請參見附錄。 3. 在瞬間穿透率量測的實驗中，我們經過試驗許多的樣品之後發現，由於本實驗的脈衝寬度大約是 200fs，由於各種文獻指出 [11][12][13][14][15]，我們選擇的實驗樣品，其發生明顯的穿透率變化的時間約在 0.5 至 1ps 的時間內，顯然地，我們必須找到適合的樣品，以符合我們的實驗需求，希望能尋找其穿透率改變時間約在 10ps 左右的半導體或是金屬，甚至是參雜金屬的半 37.

(45) 導體元件，藉此實現我們希望能再掃描顯微鏡下，獲得時間解析的影像。. 38.

(46) 第五章結論與未來之展望經由多次的實驗，且嘗試不同的樣品，修改實驗架構，目前此顯微儀已經完成初步的系統架設，將實驗圖像利用軟體分析，獲得的實驗結果看來，已有激發探測實驗的初步雛型，即自相關量測雷射脈衝的曲線，研判其原因可能是激發探測現象的訊號與自相關訊號相比較為微弱，所以必須在對實驗架構做些許的修改，而未來的實驗都會以此架構來完成，有鑒於生命週期影像是目前生物醫學領域的熱門研究項目，所以如何以最簡單與最低成本的方式在現有的儀器材料上達成獲得影像的目的，此為我們實驗的宗旨，且可藉由穿透率的量測，發現材料的光電特性，以及載子之間的動力學，了解半導體的物性，皆可藉由我們的實驗架設來完成，我們也已經成功的驗證在掃描顯微鏡的系統下，可以結合激發探測的技術，完成自相關儀的效果，顯示已經在這方面的實驗架設開啟了新的方向，未來也可結合 TCSPC （Time-correlated Single Photon Counting）技術，可以達成時間解析的生命週期影像顯微鏡（ Time-resulted Lifetime Imaging Microscope）。. 39.

(47) 參考資料 [1]Jutgen R.Meryer-Atendt,M.D.,”Introduction to Classical th. and Modern Optics”4. edition （ Prentice Hall, Englewood. Cliffs, New Jersey）Chap.11 [2]Hecht,”Optics” [3]陳哲聰，國立交通大學光電研究所碩士論文，”利用扭曲量子井布拉格氏飽合吸收鏡被動鎖模鈦藍寶石雷射特性之研究”民國八十八年。 [4]Ahemd H.Zewail “Femtochemistry, Atomic-scale Dynamics of The Chemical Bond Using Ultrafast Lasers” Nobel Lecture, Dec.8.1999 [5]Ch.Buehler,. C.Y.Dong,. E.Gratton,. ”Time-resolved. Pump-Probe. P.T.C.So,. T.French,. Polarization. (Stimulated. and. Imaging. By. Emission)Fluorescence. Microscopy”Biophysical journal,79,536(2000) [6]Pamela M.Norris, Andrew P.Caffrey, Robert J.Stevens, J.Michael. Klopf,. N.Smith,. ”Femtosecond. examination. of. Instruments,74,1. James. T.McLeskey,Jr. pump-probe. materials”Review （. 2003. ）. and. Andrew. nondestructive of. Scientific. [6]A.J.Sabbah. and. D.M.Riffe”Femtosecond pump-probe reflectivity study of silicon carrier dynamics”Physical Review B,66,165217 （2002） [7]Olympus, “Fluoview Users Manual” [8]AMETEK,. Inc.,. Signalrecovery,. Products,. Web. ：. http://www.signalrecovery.com/198a.htm [9]王雍舜，國立中山大學物理研究所碩士論文，”雙光子共焦顯微鏡和顯微光普之應用：牙齒和 KTP 晶體的二次倍頻影像”民國八十九年六月。 [10]此樣品為國立台灣大學光電工程研究所超快光電研究室提供，特 40.

(48) 此誌謝。 [11]G.H.Ma,. J.He,. K.Rajiv,. S.H.Tang,. Y.Yang. and. M.Nogami, ”Observation of resonant energy transfer in Au:Cds. nanocomposite”Applied. Physics. Letters,84,23. （2004） [12]Hitoshi Kawashima and Tadamasa Shida,”The effect of spectral dispersion for probe pulse upon the vibronic quantum beat in pump-probe experiments”J.Chem.Phys.98(6) （1993） [13]Shantanu A.Mourou,. Gupta,. John. ”Ultrafast. F.Whitaker,. Carrier. and. Dynamics. in. Gerard III-V. Semiconductors Grown by Molecular-Beam Epitaxy at Very Low Substrate Temperatures”IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 28, No.10（1992） [14]K.A.Mclntosh,. K.B.Nichols,. S.Verghese,. and. E.R.Brown, ”Investigation of ultrashort photocarrier relaxtion. times. in. low-temperature-grown. GaAs”Appl.Phys.Lett.70（3）（1997） [15]S.Gupta, G.A.Mourou,. M.Y.Frankel, F.W.Smith. J.A.Valdmanis, and. J.F.Whitaker,. A.R.Calawa”Subpicosecond. carrier lifetime in GaAs grown by molecular beam epitaxy at low temperatures”Appl.Phys.Lett.59(25),16 December 1991. 41.

(49) 附錄 A. 原理補充前面的章節我們已經把基本原理做粗略的介紹，而接下來的幾段敘述，我們將脈衝雷射以及升頻原理做一個補充。. A-1 脈衝鎖模雷射一般來說，產生脈衝雷射的方法有幾種，而最常使用的方法便是鎖模（Mode Lock）；通常來說，雷射輸出有許多的共振模，當共振模的振幅、頻率及彼此的相位差沒有固定的關係時，雷射的輸出隨時間改變而呈現不規則變化，反之，不隨時間變化，而且雷射輸出可以產生脈衝串列，我們稱之為鎖模雷射，並且可以分為兩種主動式鎖模（Active Mode-lock）與被動式鎖模（Passive Mode-lock）。[1] A-1-1 主動式鎖模主動式鎖模最常使用的方式是在雷射共振腔中加入聲光調變器（Acousto-optic Modulator）來調變光的振幅，調制週期使光波在共振腔走一循環的時間（round trip time），其行為就像一個週期性的機關，形成週期性的損耗，而雷射光就在最小的損耗瞬間可以存在，因此形成環繞雷射共振腔的脈衝光，而雷射的輸出即具有週期性的光脈衝，一般主動式鎖模的脈衝寬度較寬。 A-1-2 被動式鎖模被動式鎖模雷射是利用飽和吸收體（Saturation Absorber）做為脈衝的形成元件，飽和吸收體是因為具有非線性的吸收特性，他對光的吸收量隨著光強度的變強而呈現非線性地變弱，如此可使雷射共振腔最後僅存脈衝型態的分布。 A-1-3 鈦藍寶石鎖模雷射一九八二年由 Moulton 研製出鈦藍寶石，之後便拿來作為超短脈衝雷射的最佳材料，具有幾項特點（1）寬廣的增益頻寬（大約 90THz），輸出可調波長可從 680nm 到 1050nm；（2）高飽和能量強渡（Saturation Fluence ≅ 0.75 J cm ）；（3）高量子效率；（4）高損壞瓶頸。由於它的激發態鬆弛時間（3.2us）遠大於環腔週期（round trip time），增益無法飽和，故不能與慢速飽和吸收體搭配構成淨增益窗口形成脈衝，快速飽和吸收體中染料飽和吸收體因有使用期限及穩定性差的壞 42.

(50) 處，現在已經比較少使用，目前採用有的全光學調制的等效飽和吸收體與半導體式飽和吸收體，等效飽和吸收體鎖模雷射如 Kerr 透鏡式鎖模（KLM，Kerr Lens Mode Locking）其利用之非線性效應與入射光的波長無關，等效吸收截面積不隨波長而變，所以可以有效利用增益介質的增益頻寬，另一個優點是其反應時間約為 5fs，所以即時增益介質的飽和增益未參與脈衝壓縮，仍可以得到相當短的脈衝，但此鎖模機制與雷射共振腔中，光場空間分佈及激發光束重疊程度有關，其對雷射結構及激發光源的光束較為嚴格，不容易自起動，半導體飽和吸收體就可以解決及改善不易自起動的缺點，一般來說，使用半導體飽和吸收體只能得到微微秒（picosecond）數量級的脈衝，如果要得到飛秒的脈衝寬度則必須使用克爾非線性效應之自相位調變（Self-phase modulation）與稜鏡對或揪頻反射鏡（Chirped Mirror）所產生的負群速度色散來達成，目前已知的最小脈衝寬度可達 10fs 利用半導體飽和吸收體加上上述的脈衝壓縮元件之鈦藍寶石雷射。. A-2 升頻 Upconversion 一般來說，為了要在螢光偵測得到較高的時間解析度，都是利用非線性光學，其中一個方法就是使用螢光升頻的原理，螢光升頻就是在非線性光學中的和頻（Sum Frequency）觀念，主要是利用脈衝雷射可以提高訊噪比且具有較高峰值功率，而升頻效應獨一無二的特徵就是其高時間解析度，可運用於中紅外光的發射光源，超過一般無法達成的偵測器所涵蓋的範圍，目前已有的研究包括載子熱化、垂直傳輸與穿隧、激發的能量與動量鬆弛等。. B. 雷射光源在雷射光源方面主要由兩部分構成，第一部分是激發光源，使用由 Coherent 公司生產的倍頻半導體激發固態雷射(Diode pump solid state laser 簡稱 DPSSL)，Verdi。第二部份是超快光源，同樣使用由 Coherent 公司生產的 Mira 900 鈦藍寶石雷射﹙Ti︰sapphire Laser﹚ ，藉由此兩種雷射的搭配以產生超短脈衝的雷射光束。 B-1 激發雷射我們所使用的雷射 Verdi[2]，是由一個波長 807.5nm 的半導體雷射陣列激發超快雷射晶體 Neodymium Vanadate﹙Nd︰YVO4﹚ ，產生 43.

(51) 波長為 1064nm 的近紅外光雷射，再經過 LBO 倍頻晶體，倍頻為波長 532 的綠光雷射。其輸出功率最高為 10W，光點大小為 2.25mm。內部構造如下圖 b-1 所示。. 圖 b-1 Verdi 內部構造圖. B-2 超短脈衝雷射我們使用 Verdi-10V 做為鎖模超快雷射的激發光源，藉由此光源來激發鎖模鈦藍寶石雷射(Mira-900F, Coherent)[3]，而所激發出的雷射光束為一個超短雷射脈衝，其脈衝寬度約為 150fs，雷射中心波長可調範圍為 710nm∼1000nm 之間如圖 a2-1 所示。但由於實際波長的可調範圍侷限於雷射共振腔內的鏡片組，使得雷射實際可調範圍約在 720nm∼920nm 之間。其雷射內部共振腔的結構如圖 b-2 所示。. 44.

(52) 圖 b-2 verdi 激發 mira 900. 此脈衝雷射的重複頻率為 76MHZ，所謂的重複頻率是指單位時間的脈衝數目。. 圖 b-3 Mira900 鈦藍寶石雷射激發原理. 一般鎖模的方法分為主動式鎖模(Active mode-locking)以及被動式鎖模(Passive mode-locking)兩種。而我們所使用的鈦藍寶石超短脈衝雷射為使用被動式克爾透鏡鎖模(Kerr lens mode-locking) 的方式，此技術是近幾年所新開發出來的，它是利用材料非線性克爾效應來產生自聚焦的效果，在以針孔保留中間較強的部份，去除周圍弱光的部份，因而達到波型整形的作用，便可產生超短脈衝雷射。 45.

(53) 所謂的克爾效應，指的是介質的折射率隨光強度而作非線性的改變，如下式所示. n = n0 + n2 I 其中 I 是光的強度， n0 是無入射光時的折射率， n2 為非線性係數。由上式可知，光的強度愈強時，所產生的折射率也會變高，所以雷射光束強度為高斯分佈時，則光束將會往中心集中，此種效應稱之為自我聚焦。當激發光源 Verdi-10V 使用平均功率 8W 作為激發光時，此時的鎖模鈦藍寶石雷射所產生的脈衝雷射其平均功率約為 780mW，再經由光學量測系統的衰減之後，在物鏡處所量測到的平均光功率為 30mW，換算之後每個雷射脈衝的瞬間功率約為 0.39nJ/puls 左右，若脈衝寬度為 150fs，則瞬間功率可高達 2.631KW，如此高能量的脈衝能量再經由透鏡聚焦之後，不但足夠產生非線性效應，還要小心樣品和光學元件被雷射光束破壞。. C. 電子偵測系統經由反射後得到的二倍頻訊號已經非常微弱，因此我們除了使用光電倍增管來偵測並放大訊號外，還要利用鎖相放大器 Lock-in amplifier 濾除雜訊，才能達到較高的訊號-雜訊比，獲得高品質的影像。 C-1 鎖相放大器我們所使用的是 Stanford Research system[4]所生產，型號為 SR-830 的鎖相放大器，如圖 c-1 所示。首先解釋一下鎖相放. 圖 c-1 SR-830 鎖相放大器. 鎖相放大器主要是用來量測和偵測微弱的 AC 訊號，可以小到 10−9 volts 當訊號雜訊比不明顯甚至達千倍時，也可以利用鎖相放大器精準的測 46.