入射角度與表面結構關係

在文獻中[27]提到，在波紋結構的方向與雷射偏振方向垂直的情況 下，對於p-polarized beam 所產生的結構週期與入射角度相關，其關 係如Λ =

λ

/(1±sin

θ

))，而對於 s-polarized beam 的情況，則是入射 角度不影響波紋的空間週期，θ 是入射角，儘管本實驗產生的結果是偏 振與波紋平行，但同樣改變入射角度來探究其關係。

在實驗中分別使用s-polarized 與 p-polarized，如圖 4-28，並個別 改變入射角θ，由於改變了入射角度，需將因角度而造成的反射率變化 考慮在內，在4.1.2.5 小節中已知 YBCO 的 n=1.903 及 k=0.788，以式 4-2 與 4-3 分別求 30 度與 60 度的反射率。

圖4-28 (a)s-polarized beam irradiation (b)p-polarized beam irradiation

表4-12 YBCO 不同入射角的反射率

Incident angle θ (°) 0° 30° 60°

s-polarized 0.097 0.129 0.296 p-polarized 0.097 0.068 0.001

θ

sample &

rotational holder B

→

^E

→

linear polarized

laser s-polarized

convex lens

θ

sample &

rotational holder B

→

linear polarized

laser p-polarized

convex lens

(a) (b)

→

E

)2

這次實驗使用樣品YBCO-20100612，室溫 300 K，一大氣壓，透 鏡f=50 mm，並考慮因反射而喪失的能量，量取光點大小時以沿著傾 斜的平面移動精密平台做刀口法，選用的fluence 如下表，皆使用 150k pulses 的條件，本實驗選用較大的 fluence，遠高於正向入射時，這是 為了避免在無法誘發出表面結構的情況。

表4-13 不同入射角的能量密度 θ=0° s-polarized

θ=30°

s-polarized θ=60°

p-polarized θ=30°

p-polarized θ=60°

P (mW) 1740 1760 1760 1760 1740 1740

Reflected

P (mW) 169 224 515 118 1.74 1.74

圖4-29 F=302 mJ/cm²，θ=0°

N=150k pulses

Area 1 Direction of polarization

Area 1 Area 2 上是漸近與材料產生交互作用，與正向入射時的在 femtosecond 的尺 度作用不同，故無法觀察到週期性的結構與預測

週期隨入射角 θ 變化。在 θ=30 與 60 度 SEM 影像中，觀察上方的邊 緣與下方的邊緣，這是fluence 較小的區域，產生點狀結構。

在圖4-32 是 fluence 在 90 mJ/cm²左右的情況，明顯出現點狀物 結構，分佈不規則，與圖4-30 與 4-31 中的 Area 1 和 Area 2 可以向 互對照，在改變 s-polarized beam 的入射角時，低 fluence 區域只會 誘發點狀結構，而高fluence 區域將產生散亂的條狀結構。

圖4-30 s-polarized beam，F=297 mJ/cm²，θ=30°

N=150k pulses

Direction of polarization

Area 3 Area 2 Area 1

Area 1 Area 2 Area 3

圖4-31 s-polarized beam，F=352 mJ/cm²，θ=60°

圖4-32 s-polarized beam，(a) θ=30°，F=86 mJ/cm² (b)θ=60°，F=95 mJ/cm² N=150k pulses

Direction of polarization

Area 3 Area 2

Area 1

Area 1 Area 2 Area 3

(a) Direction of polarization

(b)

在p-polarized 的情況，在 θ=30 與 60 度 SEM 影像中，同樣在上、

下邊緣處具有點狀物的結構，但也無規則性排列，另外，值得注意的 是，在接近中央處具有與偏振方向平行的波紋結構，如 θ=30°與 60°

的 Area 3。在圖 4-33 中，Area 4 位於光點中心的位置，其表面結構 已不復存在。當 θ=60°時(圖 4-34)，fluence 在高達 676 mJ/cm²可發 現波紋結構，其中Area 4 是 F =342 mJ/cm²的情況，搜尋整個雷射處 理過的區域，只看到一片平坦，並無結構，這是與 θ=30°接近的 fluence 卻無法誘發波紋，對於 p-polarized 的雷射，反射率在 θ=60°左右最小，

所以可以排除是單純fluence 所影響，推測必須同時考慮改變入射角所 造成脈衝到達樣品的時間差。

計算 p-polarized 所產生結構的空間週期如圖 4-35 及其列表，可 以見到空間週期在 500~600 nm 左右，與改變的入射角並無關聯。事 實上，在多數文獻[14]中，波紋方向與雷射的偏振方向垂直，當改變 p-polarized beam 的入射角，空間週期隨入射角改變，具有式 4-2 的 關係，而改變s-polarized beam 的入射角度，將不影響空間週期，儘 管本實驗中產生的波紋方向與偏振平行，但相對的，改變 p-polarized beam 的入射角並不影響空間週期，而 s-polarized beam 對 YBCO 無 法產生結構，並不符合式4-2，考慮本實驗與其他文獻不同之處，一則 是光點大小所產生的脈衝到達時間差，二則是材料的不同，本實驗室

使用高溫超導材料，最後本實驗採用薄膜材料，厚度只有 240 nm，甚 至小於雷射波長800 nm，以上三點是值得探討的方向。

圖4-33 p-polarized beam，F=326 mJ/cm²，θ=30°

N=150k pulses Direction of polarization

Area 4

Area 3 Area 2 Area 1

Area 1 Area 2

Area 3 Area 4

圖4-34 p-polarized beam，F=676 mJ/cm²，θ=60°

N=150k pulses Direction of polarization

Area 3

Area 2 Area 1

Area 1 Area 2

Area 3

Area 4， F =342 mJ/cm²

θ= 0° θ= 30° θ= 60°

Offset Amplitude values (a.u.)

spatial frequency (μm-1)

angle θ = 60°

在文檔中 飛秒雷射誘發釔鋇銅氧薄膜表面週期性結構之研究 (頁 89-99)