INTRODUCTION

利用Smith-Purcell輻射的概念,我們提出了以高能量的短脈衝雷射激發金屬導線產生hole-pulse來取代電子束,並將其置於金屬光柵表面,以產生新型Smith-Purcell輻射的方法,目的是開發出構造簡單且相對容易取得的Terahertz光源。

下圖(Fig.1)是我們實驗所使用的超快雷射系統。其中Millennia輸出5W的CW綠光雷射用以驅動KML Oscillator產生近50 fs、脈衝重覆率95 MHz的Ti:Sapphire雷射輸出。我們將此脈衝訊號除頻後(1 kHz)接入SRS-DG645訊號產生器,用來產生觸發訊號給再生放大器的幫浦光與Pockels Cell。再生放大器的幫浦光產生脈衝能量約10 mJ、重覆率1 kHz的Q-Switch綠光雷射脈衝進入Ti:Sapphire再生放大器。並將同一訊號接入SDG-II,用以提供高電壓驅動Pockels Cell來調整脈衝放大與輸出的時間,以最佳化雷射的輸出功率。

最終我們可得到放大後的Ti:Sapphire雷射輸出,其脈衝寬度約為250 fs、脈衝能量約為0.7 mJ、脈衝重覆率為1 kHz。如圖所示,在示波器上我們可觀察到放大器共振腔內的訊號在每次的round-trip逐漸增長。

為了取得雷射脈衝輸出的資訊,我們架設了非同軸的光強度自相關系統(fig.2)。將脈衝雷射分成兩道,在BBO晶體中交錯產生二倍頻的訊號。透過移動平台調整兩道雷射的時間延遲,經由光偵測器我們可量測出光強度的自相關訊號(fig.3)。如圖所示,我們得到自相關訊號的時間寬度約為400 fs,可換算出我們最終量測到的雷射脈衝寬度約為285 fs,此脈寬可以透過調整再生放大器系統中的脈衝壓縮器來改變。

Smith-Purcell Radiation實驗系統的簡易架構如下(fig.4)所示,利用飛秒的脈衝雷射光源,我們預期實驗產生的輻射會在THz頻段,因此必須使用電光取樣(E-O Sampling)的技術才能取得輻射在時間上的場分佈譜型,再透過傅立葉轉換來得到輻射的頻譜。

電光取樣的原理來自於電光晶體(ZnTe)受THz輻射場的影響產生Pockels effect,進而造成折射率的改變。系統架構類似於上一章的自相關儀系統,我們將脈衝雷射光源分成上下兩路,上方的光路可利用移動平台調整時間延遲,再進入ZnTe晶體,此為Probe光;下方的脈衝光則透過凸透鏡聚焦在導線上產生表面電漿波,此為Pump光。由於兩道脈衝雷射來自相同的光源,因此彼此間可達到時間上的同步性。

鍍金拋物面鏡用來收集電漿波產生的Smith-Purcell輻射(THz)並聚焦到ZnTe晶體內,藉由電光效應,Probe光與此THz輻射在ZnTe晶體內交互作用時,Probe光會感受到折射率的改變因而產生相位延遲,而折射率的改變量又正比於THz輻射的強度,因此我們可使用四分之一波片以及偏振分光晶體取得兩道不同的偏振光,而此兩道偏振光的強度差異即正比於Probe光獲得的相位延遲。

控制移動平台改變Probe光在時間上與Smith-Purcell輻射的相對延遲,並利用兩個相同的光偵測器偵測兩道偏振光的強度,再透過鎖相放大器將電訊號作相減並且放大同步訊號,便能得到高訊雜比的相減訊號,此訊號強度與相對延遲的關係即為THz輻射的時間分佈,可再透過傅立葉轉換得到輻射的頻譜。

實驗預計使用的光源、測量系統、導線、光柵與真空腔皆已準備完成,只可惜中途遭遇了硬體設備上的問題,導致實驗無法繼續進行,因此我們尚未產生實際的實驗結果。

然而我們也能透過軟體來模擬Smith-Purcell Radiation,模擬電子束通過金屬光柵時產生的輻射。在模擬參數上,我們所使用的電子束DC電流為1 mA,最大電壓為25 kV。光柵週期為0.1 mm,電子束的束寬與其對於光柵的距離皆為0.024 mm。下圖(fig.5)即為透過MAGIC模擬的結果,圖片從左上到右下為時間的演進。電子束從左側的電子槍中射出並往前傳播,通過光柵表面後我們可觀測到Smith-Purcell輻射場在特定方向傳播。


Fig. 1


Fig. 2


Fig. 3


Fig. 4


Fig. 5

心得感想

此專題計劃由指導教授提出,並由一名博士班學長引導我進行。進度管理上,我們每個禮拜會參加一次實驗室的Group Meeting。指導教授在追蹤進度的同時也會對於我們實驗進行的方向提出建議。實驗上遇到問題時通常是透過與實驗室的成員們互相討論,共同思考解決的辦法。指導教授則教導我們基本的物理概念以及負責作一些實驗執行或採買設備材料的決定。

在此專題研究中,我從實驗的事前準備、系統架設中學到了很多專業知識。例如超短脈衝雷射放大器系統、超短脈衝量測、電漿物理、兆赫波產生技術以及使用LabVIEW設計自動控制系統等等。還有更重要的是學習解決實際問題的辦法,在實驗過程中學習分析錯誤並找到需要改進的地方,一步一步踏實地將問題排除,我也在這些過程中獲得了許多成就感,也讓我有信心持續完成下一階段的實驗,期能獲得精彩的實驗成果。