臺灣博碩士論文加值系統

兆赫波是指頻率介於微波至紅外光的電磁波，近幾年因在物理、化學、生醫等領域有廣泛的應用價值，因此研製一套高效率、高能量的兆赫波成為重要的議題。
在此論文中，我們利用脈衝整型以產生高效率波長可調兆赫波輻射。在脈衝整型上，以頻率解析光閘技術(FROG)方法來量測多脈衝產生在不同正負chirp量下之影響，首次報導了高效率色散與拍頻可調之多脈衝串。同時，利用脈衝整型系統結合TDS系統，emitter端和detector端，我們都採用天線結構，實際地利用多脈衝入射到emitter，以觀察產生對應之THZ輻射。
我們發現到以多脈衝激發天線，會產生較高功率的兆赫輻射，相較傳統的單一脈衝激發下的功\率，在相同多脈衝間距中，發現到當加入色散量較小時，會產生較高功率的兆赫輻射。
此外，以雙脈衝激發天線，彼此產生干涉現象，建設性干涉發生時，時域峰值會提升和總功率會大幅上升。

This thesis utilizes pulse shaping in characterization of high efficient wavelength tunable terahertz radiation. The influence of multi-pulses generation under different tunable chirp and time delay are characterized by Cross-FROG measurement. A strong enhancement of total power is observed from spectrum. Furthermore, the total power of terahertz radiation is reducing in same multi-pulses spacing experiment as chirp is increasing and negative chirp have higher THz total power than positive chirp.
Meanwhile, we also theoretically and experimentally study the possibility of an alternative approach of enhancing the THz power. This enhancement is attributing to constructive interference between two independently generated THz pulses. This also reveals the nature of quantum coherence and potential of high power THz radiation.

目錄
摘要.....................................................Ⅰ
ABSTRACT.................................................Ⅱ
誌謝.....................................................Ⅲ
圖表目錄.................................................Ⅵ
第一章 緒論...............................................1
第二章 兆赫輻射波的產生、偵測的機制.......................5
2-1節 兆赫輻射產生原理..................................6
2-1-1 光電導機制................................................6
2-1-2 光整流機制(Optical rectification)..............................11
2-2節 兆赫輻射偵測原理.................................13
2-2-1 偵測使用光導天線(PC sampling)..............................13
2-2-2 自由空間電光取樣法(EO sampling)............................16

第三章 多脈衝產生機制、實驗與以FROG量測多脈衝和模擬......18
3-1節 脈衝形變原理.....................................19
3-1-1光脈衝整形...............................................19
3-1-2 相位凍結演算法(Freezing algorithm).......................22
3-2節 多脈衝產生機制、實驗..............................28
3-3節 以頻率光解析閘量測多脈衝及模擬...................33
3-3-1 自相關儀和互相關儀(auto correlator and cross correlator).........33
3-3-2 頻率解析光閘(Frequency Resolved optical Gating，FROG)........35
3-3-3 模擬正負啾頻下之多脈衝的FROG行為......................40


第四章 兆赫輻射增強實驗與數據討論........................48
4-1節 實驗架構.................................................. 49
4-2節 相同正負chirp下調變延遲時間之兆赫輻射增強.................51
4-3節 相同脈衝間距(same pulse spacing)之兆赫輻射增強................59
4-4節 總結.......................................................65
第五章 兆赫輻射干涉((THz interference)...................66
5-1節 實驗部分..................................................67
5-2節 模擬部分..................................................77
5-3節 總結......................................................91
第六章 結論與未來展望....................................92
6-1節 結論......................................................93
6-2節 未來工作..................................................94
參考文獻.................................................98

圖表目錄
圖1-1兆赫波在頻譜上的位置................................4
圖1-2在兆赫波顯影下，可以看到皮鞋內部藏了一把小刀與塑膠炸彈
該兩項物品，而塑膠炸彈在機場裡的X光機是不能看到的，顯
示了兆赫波在國防安全應用的重要性....................4
圖2-1光電導天線結構......................................7
圖2-2模擬一道脈衝寬度為80飛秒(fsec)的雷射激發光電半導體，
產生的光電流與輻射的兆赫波電場......................9
圖2-3不同載子生命週期產生的THz...........................9
圖2-4不同脈衝寬度產生的THz..............................10
圖2-5不同脈衝寬度產生的THz頻譜..........................10
圖2-6光導當偵測天線原裡示意圖...........................15
圖2-7光導當偵測天線結構.................................15
圖2-8真空電光取樣法(FSEOS)..............................16
圖2-9兆赫輻射電場、探測光電場與晶ZnTe之示意圖..........17
圖3-1脈衝整形原裡(a)時域濾波，(b)頻域濾波...............20
圖3-2相位凍結法演算法數學原理...........................25
圖3-3脈衝整形系統搭配相位凍結演算法架構圖...............26
圖3-4相位凍結演算法流程圖...............................27
圖3-5 Mixing chirped optical pulses 產生多脈衝串實驗示意..29
圖3-6多脈衝產生示意圖...................................30
圖3-7為利用AM和PM產生多脈衝的實驗圖...................32
圖3-8當delay為600fs，疊加-4000k fs2的多脈衝示意圖........32
圖3-9自相干儀架構圖.....................................33
圖3-10頻率解析光閘示意圖................................35
圖3-11頻率解析光閘原理示意圖............................36
圖3-12頻率解析光閘方程式流程圖..........................37
圖3-13 XFROG實驗架構圖...................................39
圖3-14(a)以知探測脈衝的場型，FWHM≒84fs..................41
(b)探測脈衝的FROG trace...........................41
圖3-15(a)正啾頻下的多脈衝XFROG..........................42
(b)負啾頻下的多脈衝XFROG..........................42
圖3-16(a)正負啾頻40000fs2，時間延遲400fs之multi-pulse...43
(b)正負啾頻40000fs2，時間延遲800fs之multi-pulse..43
圖3-17(a)正啾頻、(b)負啾頻 分別為圖 16 (a)之XFROG trace...44
圖3-18 (a)正啾頻50000 fs2，時間延遲800fs之multi-pulse.... 45
(b)正啾頻80000 fs2，時間延遲800fs之multi-pulse....45
圖3-19 (a)、(b) 分別為圖 19 (a)和(b)之XFROG trace........46
圖4-1實驗架構...........................................50
圖4-2(a)、(b)拍頻在固定正負啾頻時正比於時間延遲...........51
圖4-3(a)、(b)分別為相同正負啾頻下，調變時間延遲產生的兆赫
波時域波形.........................................52
表4-1正負啾頻下，時域場形峰值...........................53
圖4-4相同正負啾頻下，兩者峰值趨勢圖(圖中負號表示為負啾頻下之時間延遲).......................................54
圖4-5兆赫波時域信號極大值與啾頻相依性，曲線由上到下為激發能
量從5mW到45mW.....................................55
圖4-6(a)、(b)分別為正負啾頻下，調變時間延遲產生的兆赫波頻譜密度圖..............................................56
表4-2正負啾頻下，頻域總功率.............................57
圖4-7正負啾頻下，兩者總功率趨勢圖(圖中負號表示為負啾頻下之時間延遲).........................................58
圖4-8(a) (±400k fs2,150fs)、(±360k fs2,135fs)、(±320k fs2,120fs)
三組條件之兆赫波時域波形圖(pulse spacing 1.17THz)
(b) (±400k fs2,150fs)、(±360k fs2,135fs)、(±320k fs2,120fs)三組條件之兆赫波頻譜密度圖.........................60

圖4-9(a)(±400k fs2,300fs)、(±360k fs2,270fs)、(±320k fs2,240fs)、(±280k fs2,210fs)四組條件之兆赫波時域波形圖
(pulse spacing 2.34 THz)
(b) (±400k fs2,300fs)、(±360k fs2,270fs)、(±320k fs2,240fs)、
(±280k fs2,210fs) 四組條件之兆赫波頻譜密度圖..........61
表4-3脈衝間距為1.17THz激發條件的兆赫波頻域總功率.........62
圖4-10脈衝間距為1.17THz激發條件的兆赫波頻域總功率趨勢圖...62
表4-4脈衝間距為2.34THz激發條件的兆赫波頻域總功率..........63
圖4-11脈衝間距為2.34THz激發條件的兆赫波頻域總功率趨勢圖...63
圖5-1 LT-GaAs能隙圖........................................68
圖5-2 導帶高處至缺陷捕抓時間 與啾頻量相依圖...............69
圖5-3 調變不同時間延遲下，產生的兆赫波時域波形圖............71
表5-1兆赫波時域峰值對時間延遲..............................72
圖5-4兆赫波時域峰值對延遲時間延遲趨勢圖....................72
圖5-5不同時間延遲下之兆赫波頻域功率頻譜密度圖..............73
表5-2兆赫波總功率對時間延遲................................73
圖5-6兆赫波總功率對時間延遲趨勢圖..........................74
圖5-7(200fs,250fs,300fs,400fs)頻譜密度.....................75
圖5-8(100fs,150fs,600fs,800fs,1000fs)頻譜密度圖............75
圖5-9調變不同時間延遲下，產生的模擬兆赫波時域波形圖........77
表5-3模擬兆赫波時域峰值對時間延遲..........................78
圖5-10模擬兆赫波時域峰值對時間延遲趨勢圖...................78
圖5-11(a)模擬不同時間延遲下之兆赫波功率頻譜密度圖
(b)實際實驗不同時間延遲下之兆赫波功率頻譜密度圖.......79
圖5-12模擬(200fs,250fs,300fs,400fs,600fs)頻譜密度圖............80
圖5-13模擬(100fs,150fs,800fs,1000fs)頻譜密度圖..............80
表5-4模擬兆赫波總功率對時間延遲.............................81
圖5-14模擬兆赫波總功率對時間延遲趨勢圖......................82
圖5-15模擬時間延遲250fs、原本的和疊加後的時域場形，插圖為頻域
....................................................83
圖5-16模擬時間延遲1000fs、原本的和疊加後的時域場形，插圖為頻
域...................................................84
圖5-17(a)~(e)分別為疊加2個、4個、8個、16個、32個之下兆赫波的波形圖......................................84、85、86
圖5-18綜合上面疊加2個、4個、8個、16個、32個的兆赫波時域波形..................................................87
表5-5疊加不同數目的兆赫波時的時域峰值表....................88
圖5-19把表5-5用圖表示(插圖為enhancement ratio)............88
圖5-20疊加2個、4個、8個、16個、32個的兆赫波頻譜密度圖...89
表5-6疊加不同兆赫波之下對映的兆赫波總功率..................89
圖5-21把表5-6用圖表示(插圖為enhancement ratio)............90
圖6-1各個疊加THz pulse場型................................94
圖6-2各個疊加THz pulse功率頻譜密度圖......................95
表6-1表6-1最佳推測時間延遲產生最大輻射功率................95
圖6-3最佳推測時間延遲產生最大輻射功率......................95
表6-2疊加THz pulse之時域峰值..............................96
圖6-4疊加THz pulse之時域峰值。(插圖為放大倍率)............96
表6-3疊加THz pulse之總功率................................97
圖6-5疊加THz pulse之總功率。(插圖為放大倍率)...............97

參考文獻
1. B.Ferguson , X.C.Zhang, “Materials for terahertz science and technology,” nature material , 1 , 26~33(2002)

2. W.L. Chan, J. Deibel, D.M. Mittleman, “Image with terahertz radiation,” Rep.Prog.Phy ,70 , 1352-1379 (2007)

3.李青翰, 林凡異,“兆赫波漫談”,物理雙月刊三十一卷, 97~108,（2009）

4.洪勝富, 齊正中,“短脈衝雷射激發兆赫輻射技術及其應用”,物理雙月刊二三卷, 322~328 (2001).

5.M. Nakajima, K. Uchida, M. Tani, and M. Hangyo, “Strong enhancement of terahertz radiation from semiconductor surfaces using MgO hemispherical lens coupler,” Appl. Phys. Lett. 85,2,191-194(2004).

6. Y. Liu, S. G. Park, and A. M. Weiner, “Enhancement of narror-band terahertz radiation from photoconducting antennas by optical pulse shaping,” Opt. Lett. 21,21, 1762-1764 (1996).

7.林松輝,“利用飛秒脈衝形變技術研究光導天線輻射兆赫波之特性”國立交通大學光電工程研究所碩士論文 2008年7月

8.F.W. Smith , H.Q. Le , V. Diadiuk, M.A. Hollis , and A.R Cawala, “Picosecond GaAs-based photoconductive optoelectronic detectors,”Appl. Phys. Lett. 54, 890~892(1989)

9.M. Tani, K. Sakai, and H. Mimura, “Emission characteristics of photoconductive antennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs,” App. Opt, 36,7853~7859 (1997)

10. C. Ludwig and J. Kuhl,“Studies of the temporal and spectral shape of terahertz pulses generated from photoconducting switches,”Appl. Phys. Lett, 69, 1194~1196 (1996)

11. S. Kono, M. Tani, and K. Sakai, “Ultrabroadband photoconductive detection: Comparison with free-space electro-optic sampling” Appl.Phys. Lett, 79, 898~900 (2001)

12.吳宗翰,“光脈衝整形器應用於兆赫輻射波形整合之研究”國立 交通大學光電工程研究所 碩士論文 2005年7月

13.莊沁融,“飛秒雷射脈衝形變技術與其兆赫輻射增強之應用研究”國立交通大學光電工程研究所 碩士論文 2005年7月

14. http://www.physics.gatech.edu/gcuo/subIndex.html
UFO08 THz generation.ppt, Georgia Institude of Technology

15. P. U Jepsen, R. H. Jacobsen, and S.R.Keiding , “Generation and detection of terahertz pulses from biased semiconductor antennas,” J.Opt.Soc.Am.B, 13,11.2424-2436(1996)

16.黃照仁,“THz輻射光導偶極天線陣列之研製與特性”國立交通 大學光電工程研究所 碩士論文2005年7月

17. Z. G. Lu, P. Campbell, and X.C. Zhang, “Free-space electro-optic sampling with a high-repetition-rate regenerative,” Appl. Phys. Lett. 71, 593~595(1997)

18. B.E. A. Saleh, and M.C.Teich, “Fundamentals of Photonics Second Edition,” Chapter 20 Electro-Optics

19. Paul C. M. Planken, H.K Nienhuys and Huib J. Bakker,Tom Wenckebach,“Measurement and calculation of the orientation dependence of terahertz pulse detection in ZnTe,”J. Opt. Soc. Am.B,18,3,313~317(2001)

20.A. Assion, T. Baumert, M. Bergt, T. Brixner, B. Kiefer, V. Seyfried, M. Strehle, G. Gerber“Control of Chemical Reactions by Feedback-Optimized Phase-Shaped Femtosecond Laser Pulses,”
Science ,282,919-922(1998).

21.W.S.Warren, H. Rabitz, M. Dahleh“Coherent Control of Quantum Dynamics: The Dream Is Alive.”Science 259, 1581-1589(1993)

22. R. J. Levis, G. M. Menkir, and H. Rabitz, “Selective bond dissociation and rearrangement with optimally tailored, strong-field laser pulses,”Science, 292, 709-713 (2001)

23. T. C. Weinacht, J. L. White, and P. H. Bucksbaum, "Toward strong field mode-selective chemistry," J. Phys. Chem. A 103, 10166-10168 (1999).

24. C. J. Bardeen, V. V. Yakovlev, K. R. Wilson, S. D. Carpenter, P. M. Weber, and W. S. Warren, "Feedback quantum control of molecular electronic population transfer," Chem. Phys. Lett. 280, 151-158 (1997)

25. R. Mizoguchi, K. Onda, S. S. Kano, and A. Wada, Thinning out in optimized pulse shaping method using genetic algorithm,”Rev. Sci. Instrum. 74, 2670-2674 (2003).

26. A. S. Weling, B. B. Hu,N. M. Froberg, and D. H. Auston,“Generation of tunable narrow-band THz radiation from large aperture photoconducting antennas,” Appl. Phys. Lett. 64,(2),137-139(1994)

27. A.S. Weling and D. H. Auston,“Novel sources and detectors for coherent tunable narrow-band terahertz radiation in free space,”
J. Opt. Soc. Am. B,13,12,2783-2791(1996)

28. M. Shimada1, M. Katoh, A. Mochihashi, S. Kimura,M. Hosaka,
Y. Takashima, T. Hara, T.Takahashi,S. Bielawski ,C.Szwaj, C .Evain,
“Generation of THz Coherent Synchrotron Radiation on Electron Storage Ring” Proceedings of the4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan 2007

29.劉信成,“脈衝整形系統在超寬頻脈衝量測與多脈衝產生之應
用”國立中山大學光電工程研究所碩士論文 2008年9月

30. R.Trebino, Kenneth W. DeLong, David N. Fittinghoff, John N. Sweetser, Marco A. Krumbugel, Bruce A. Richman, and Daniel J. Kane, “Measuring ultrashort laser pulse in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating ,”Rev. Sci. Instrum., 68, 3277-3295 (1997).

31. R.Trebino,D.J.Kane,“Using phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort pulses: frequency-resolved optical gating,”
,J. Opt. Soc. Am. A,10,5,1101-1110(1993)

32. K. W. DeLong ,R. Trebino, J. Hunter and W. E. White “Frequency-resolved optical gating with the use of second-harmonic generation,”J. Opt. Soc. Am. B,11,11,2206-2215(1994)

33.許家誠,“利用脈衝整形技術在飽和布拉格反射鏡之激發動力 學之研究” 國立中山大學光電工程研究所碩士論文 2006年七月