泵浦探測光譜 Pump-Probe Spectroscopy

應用說明

泵浦－探測 Pump Probe技術利用短雷射脈衝量測超快現象。泵浦脈衝照射樣品後，會誘發電子激發等物理現象。經過可調整的時間延遲（通常透過光學延遲線控制），探測脈衝再照射樣品，並量測其穿透及／或反射訊號。觀察探測訊號隨延遲時間的變化，可取得激發態的衰減動態資訊。
泵浦－探測量測的時間解析度取決於雷射脈衝寬度，而非光偵測器或訊號擷取電子設備的頻寬。許多研究超快現象的技術皆採用此架構，例如 THz 光譜與拉曼光譜。

量測方法

脈衝雷射的重複頻率通常介於數 kHz 至數百 MHz。由於單一脈衝的訊噪比（SNR）通常很低，因此需要高靈敏度的偵測電子設備，並進行大量平均。

常見方法有兩種：

• 快速光偵測器搭配 Boxcar 平均： 僅在短時間視窗內擷取訊號，排除其他只有雜訊的時段。此方法可提供最高的訊噪比，但對電子設備的要求也較高。
• 調整光偵測器頻寬，搭配鎖相放大器：使偵測訊號延伸至整個脈衝週期，且接近正弦波，再以鎖相放大器偵測。此方法容易設定，並能有效抑制非同步雜訊，提供足夠的訊噪比。

Zurich Instruments 提供方便的BOXCAR 選件：

• 聚焦探測脈衝：只在探測脈衝到達的時間視窗內擷取並平均訊號，減少脈衝間雜訊的影響，提升微弱穿透或反射訊號的訊噪比。
• 擷取激發前後差異：若實驗可交替阻擋泵浦脈衝，背景扣除功能可比較有、無泵浦激發時的探測訊號，更清楚地觀察樣品受激發後的變化。
• 提高掃描效率：無死時間擷取可充分利用量測週期，有助於縮短不同泵浦－探測延遲時間下的資料收集時間。
• 方便設定與比較：週期波形分析器可協助設定探測訊號的擷取視窗；UHFLI 搭配 UHF-BOX，也可同時執行 Boxcar 平均與鎖相偵測，比較兩種方法的結果。

產品特色

UHFLI 600 MHz 鎖相放大器

• 2 路 DC–600 MHz、12 位元電壓輸入
• 2 組 Boxcar 平均器（需選配 UHF-BOX）
• 低通濾波器時間常數：30 ns–76 s
• 支援 Python、MATLAB、LabVIEW、C、.NET API 程式控制

VHFLI 50 MHz／200 MHz 鎖相放大器

• 2 路 DC–50／200 MHz 電壓與電流輸入
• 低通濾波器時間常數：14 ns–21 s
• 可同時解調最多 8 個諧波或頻率
• 支援 Python、MATLAB、LabVIEW、C、.NET API 程式控制

Zurich Instruments 的優勢

• 可支援上述兩種量測方法，且能在 UHFLI 上同時執行，直接比較結果。對於低重複頻率、預算較有限的實驗，VHFLI 或 MFLI 可作為第二種方法的替代選擇。
• UHF-BOX 是唯一的同步 Boxcar 平均器，可抑制與雷射不同步的雜訊。
• UHF-BOX 可在無死時間的情況下擷取資料，縮短總量測時間。
• 週期波形分析器（Periodic Waveform Analyzer）可顯示經大量平均後的訊號，方便設定 Boxcar 擷取視窗。
• 若實驗配置可交替阻擋泵浦脈衝，背景扣除功能可降低背景雜訊及訊號直流偏移對量測的影響。