太赫茲時域光譜 THz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS

應用說明

太赫茲時域光譜（THz-TDS）是一種用於量測材料特性的技術，可分析 0.1 THz 至數十 THz 頻率範圍內的複數頻率響應（振幅與相位）。在此頻段，可觀察固態材料中的電子激發（electronic excitation）、聲子激發（phononic excitation）等基本共振現象。

為了量測材料的頻率響應，首先利用超短脈衝雷射（pump pulse）透過非線性效應產生具有特定頻譜的 THz 脈衝。THz 波與樣品作用後，其反射或穿透波形會發生改變，再利用另一束超短脈衝（probe pulse），配合電光取樣（Electro-optic Sampling）或光導天線（Photoconductive Antenna）等非線性偵測方式，量測 THz 電場的瞬時波形。

透過改變探測脈衝與 THz 波之間的時間延遲，可重建電磁波的完整振幅與相位資訊。

與 Pump-Probe 等超快光學技術相同，THz-TDS 的時間解析度取決於探測雷射脈衝寬度，而非光偵測器或電子設備的頻寬，因此可達到亞週期（Sub-cycle）的時間解析能力。

量測方式

THz 電場對探測光造成的訊號變化非常微弱，因此需要高訊雜比（SNR）、高靈敏度電子設備及平均化技術來擷取訊號。調變頻率通常介於數 kHz 至數百 MHz。

常見有兩種方式：

1. Boxcar Averaging（盒式平均）

利用快速光偵測器配合 Boxcar Averager，只在探測脈衝出現的短時間內取樣，避開只有雜訊的時間區段。

• 優點：

可獲得最高的訊雜比（SNR）
適合高速量測

• 缺點：

對偵測電子設備要求較高

2. Lock-in Amplifier（鎖相放大器）

降低光偵測器頻寬，使訊號展開成接近正弦波，再利用鎖相放大器進行同步偵測。

• 優點：

可有效抑制非同步雜訊
提供良好的訊雜比
系統較容易實現

結論

THz 時域光譜系統的性能取決於同步檢波精度、時間窗控制及雜訊抑制能力。透過鎖相放大器的相位敏感檢測（Phase-sensitive Detection）與同步 Boxcar Averaging，可在極低訊號條件下實現高動態範圍量測，並有效抑制雷射強度波動、背景漂移及電子雜訊。配合多諧波同步解調、無 Dead Time 資料擷取及背景扣除，可進一步提升 THz 波形重建的準確度與量測效率，適用於高精度材料光譜分析、非線性光學及超快載子動力學研究。

 

產品特色

UHFLI 600 MHz 鎖相放大器

 

• 2 組 DC–600 MHz、12-bit 電壓輸入
• 可搭配 UHF-BOX 提供 2 組 Boxcar Averager
• Low-pass Filter 時間常數：30 ns～76 s
• 可同時解調最多 8 個頻率或諧波
• 支援 Python、MATLAB、LabVIEW、C、.NET API

VHFLI 50 / 200 MHz 鎖相放大器

• 2 組 DC–50/200 MHz 電壓與電流輸入
• Low-pass Filter 時間常數：14 ns～21 s
• 可同時解調最多 8 個頻率或諧波
• 支援 Python、MATLAB、LabVIEW、C、.NET API

Zurich Instruments 的優勢

 

• UHFLI 可同時支援 Boxcar Averaging 與 Lock-in Detection，可直接比較兩種量測方式。
• 若雷射重複率較低或預算有限，可選擇 VHFLI 或 MFLI 作為鎖相量測方案。
• UHF-BOX 採同步 Boxcar Averaging，可有效抑制與雷射不同步的雜訊。
• UHF-BOX 可連續取樣，無 Dead Time，縮短量測時間。
• Periodic Waveform Analyzer 可提供高平均波形，方便設定最佳 Boxcar 取樣視窗。
• 若實驗可交替遮蔽每隔一個 Pump Pulse，可使用 Background Subtraction 功能，有效消除背景雜訊與 DC 漂移。

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