將樣品作一系列的光學量測，有光激發螢光光譜、吸收光譜、皮秒雷射SFG 量測、飛秒雷射 SFG 量測、鐵電特性的變溫量測、Z-scan 的量測。從中獲得知 樣品的光學特性（如共振帶波長、吸收波段及放光波長、非線性折射）；另也證 實單邊矽氧鍵結的樣品具有鐵電特性，並擬合出此材料的居里溫度。本章架構如 下：先在 4.1 節中，描述 PL 量測結果，與 4.2 節中，吸收光譜量測的結果；接 著4.3 節中，敘述皮秒雷射 SFG 量測，與 4.4 節中，飛秒雷射 SFG 量測；最後 在4.5 節中，呈現鐵電特性的變溫量測結果；以及 4.6 節中，得到 Z-scan 的量測 結果。
4.1：PL 量測
本研究論文中，光激發螢光（photoluminescence, PL）光譜的量測系統是由 郭浩中 老師實驗室提供並協助量測之。PL量測系統是使用連續波氦鎘雷射 ( He-Cd )，光功率約為 22 mW，波長為 325 nm，聚焦後光斑大小約為 100 µm，
照射在樣品後產生螢光，再利用透鏡聚焦收光，螢光經過光柵條數為 1800/mm 的單光儀，接著經過濾光片後，利用光電倍增管 ( PMT ) 收取訊號，此時設定 積分時間為1 秒，狹縫寬度為 0.1mm。PL的實驗架構圖如圖 4-1 所示。
量測的樣品皆為成長在石英晶體基板上，我們準備四片樣品，第一片：是 利用pulse ICP 成長方法的嵌入二氧化矽孔洞陣列的矽奈米晶體，成長過程中有 外加偏壓，表示此為樣品具有單邊鍵結的特性 ( 紅線 )。第二片：利用 pulse ICP 成長方法的嵌入二氧化矽孔洞陣列的矽奈米晶體，成長過程中沒有外加偏壓，這 表示此樣品為純粹的矽奈米晶體球，不具有單邊鍵結 ( 藍線 )。第三片：在石 英基板上單純成長二氧化矽孔洞陣列 ( 綠線 )。第四片：石英基板 ( 深藍線 )。
PL 的實驗量測結果如圖 4-2 所示。這所有的四片樣品中，在中心波長約為 center-related species ) ( O-Si-O )[1]。
≡
長的控制條件下，不管有無外加偏壓，兩樣品在二氧化矽孔洞陣列裡擁有幾近於 同等級的矽奈米晶體數目。
300 400 500 600 700 800 900
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
pulse ICP unbias /quartz pulse ICP /quartz
MS /quartz Quartz noise
PL intensity (a.u.)
wavelength (nm)
圖4-2 : PL 量測結果
4.2：吸收光譜量測
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 0.0
pulse ICP unbais MS
Abs(O.D.) -lnT(λ)
wavelength(nm)
pulse ICP pulse ICP unbias MS
T(λ)
圖4-3 : 吸收光譜量測結果
29
4.3：皮秒雷射 SFG 量測
本論文研究中，皮秒雷射SFG系統是由黃中垚老師實驗室提供之，並協助 我們量測樣品。利用Nd:YAG雷射來完成皮秒等級的非線性光學技術的量測。此 Nd:YAG放大光源系統具有三種不同的輸出波長：1064 nm，532 nm，355 nm。
其中利用1064 nm和 355 nm差頻產生寬調制範圍的紅外光源 ( 3000 nm ~ 7400
1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 0
495 490 485 480 475 470 465 460 455
ALD_220nm ALD_150nm ALD_90nm glass
SFG intensity (a.u.)
IR frequency
(
cm-1)
SFG wavelength (nm)
圖4-4 : 不同樣品厚度之合頻強度比較
在皮秒雷射SFG 的量測中，我們準備四片不同的樣品，其成長基板皆為玻 璃基板，第一片：pulse ICP 的成長方法，二氧化矽孔洞陣列嵌入矽奈米晶體，
厚度約為220 nm。第二、三片，成長方式同上，改變厚度為 150 nm、90 nm。第 四片為單純的玻璃基板做為參考。接著利用掃瞄皮秒紅外光源的波長，依序記錄 不同樣品產生的合頻訊號強度。實驗量測結果如圖4-4 所示。
二氧化矽孔洞陣列嵌入矽奈米晶體，樣品厚度約為220 nm ( 紅線 )、150 nm ( 藍線 )，皆量測到於紅外光 1950 cm-1 ( 波長 5128 nm ) 處具有相當強的共 振帶，其對應合頻波長約為483 nm。此外，做為參考的玻璃基板 ( 黑線 ) 的合 頻訊號強度遠小於其它樣品的合頻訊號強度，所以確認產生的合頻訊號來自於薄 膜樣品。至於薄膜厚度小至90 nm ( 綠線 ) 時，產生的合頻訊號強度驟減，推 知樣品的鐵電效應在厚度小至90 nm以下時將消失。
利用掃瞄皮秒雷射紅外光源波長，可得到樣品的合頻光頻譜圖4-5。
460 465 470 475 480 485 490 495
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
SFG normalized intensity (a.u.)
SFG wavelength (nm)
圖4-5 :合頻光頻譜圖
31
4.4：飛秒雷射 SFG 量測
本研究論文亦利用不同的雷射系統來對樣品做量測。使用的系統為光子工 廠 裡 的 鈦 藍 寶 石 鎖 模 雷 射 再 生 放 大 光 源 ( RGA ， Regeneratively amplified Ti:sapphire laser )，RGA 中心波長 800 nm，頻寬約為 30 nm，脈衝寬度 50 fs，脈 衝重覆率 ( repetition rate ) 1 KHz。
RGA的出射光作為white light OPA的激發光源。首先，由分光鏡將光分成 兩道 ( 10/90 )，光強較高部分作為white light OPA的激發光源；光強較弱部分聚 焦打進CaF2晶體產生白光，再由拋物面金鏡集中白光，作為white light OPA的白 光種子 ( White Light Seeding )。最後由圓柱形反射鏡將兩道光 ( white light OPA 激發光源和White Light Seeding ) 聚焦打進倍頻晶體 ( BBO，Beta-Barium Borate )，產生白光光參數放大 ( white light OPA )。白光光參數放大 ( white light OPA，white light Optical Parametric Amplifiers )系統如圖 4-6 所示。
BBO
WL OPA 系統具有一特殊的性質，就是可以改變輸出波長，輸出的中心波 長範圍可從 1100nm 至 1500nm。在本論文研究中，選擇了四個中心波長來作合 頻實驗，接下來先描述這四個中心波長輸出的特徵。首先看表4-1，可知四個中 心波長分別為：1150nm ､1200nm ､1250nm ､1300nm，其光譜可看圖 4-8。
另外將個別的倍頻晶體BBO 的相位匹配角度（phase match angle，PM angle）理 論值與實驗值用圖4-7 表示。
Wavelength(nm) 1150 1200 1250 1300 PM angle(deg) 24.2o 25.0o 27.2o 27.7o
PM angle of theory(deg) 25.0o 25.6o 26.0o 26.3o
Bandwidth(nm) 110 110 90 160
Transform Limit(fs) 28 31 41 39 Average Power(mW) 5.4 5.9 6 6.5
表4-1 白光光參數放大之特徵
1150 1200 1250 1300
22.5
PM angle (deg)
Wavelength (nm) Experiment
Theory
圖4-7 白光光參數放大之波長可調範圍
33
1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 0.0
0.2 0.4 0.6 0.8
1.0 1150nm 1200nm 1250nm 1300nm
wavelength(nm)
Normalized intensity
圖4-8 白光光參數放大之輸出光譜
接著利用800 nm 與 white light OPA 兩道飛秒雷射光源，針對不同的樣品做 非線性光學合頻 ( SFG ) 的研究，實驗架設如圖 4-9。改變 white light OPA 的輸 出波長，不同波長所量得的合頻訊號強度除以 OPA 該波長的輸出功率，即可獲 得校正過的合頻訊號強度。因為飛秒雷射頻譜的半高寬度約為40 nm，所以 OPA 只改變四個中心波長來做合頻實驗 ( 1150 nm，1200 nm，1250 nm，1300 nm，
OPA 頻譜如圖 4-8 )。
M
450 460 470 480 490 500
-0.1
SFG normalized intensity (a.u.)
SFG wavelength (nm)
1150
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
SFG intensity (a.u.)
pump power@800nm (mW) power dependence