第四章 實驗結果與討論
4.2 兩道線偏振飛秒雷射同時誘發表面結構
由上面的結果，我們可以藉由一道線偏振雷射產生週期性的表面 結構，有一個簡單的構想，若是將兩道雷射以互相垂直的偏振方向照 射樣品，是否就能產生規則排列的格子狀結構，圖4-42是利用4.1.2.3 小節中F=154 mJ/cm2，N= 25k pulses的SEM影像(圖4-9的(a))與其旋 轉90度之後的影像相乘所模擬結果，右圖是傅立葉轉換後圖形，期望 可以產生格子狀的結構。
Topography FFT
圖4-42 模擬垂直偏振的雷射照射樣品結果
為了達到此構想，這裡藉由麥克森干涉儀的方式來取得共線的兩 道雷射光，如下圖4-43所示。
photodiode Ti:sapphire
laser
Regenerative amplifier
electric shutter
convex lens 3D stage
convex lens
z
x y
mirror
mirror
delay stage
mirror beam
spiliter
¼ λ-plate
¼ λ-plate
圖4-43 兩道線偏振雷射處理系統
雷射經分光鏡(Beam splitter)分光後，再匯集到同一點上，途中經 過四分之一波長板(Quarter-waveplates)。因為使用的飛秒雷射是線性 偏振光，所以藉由改變雷射偏振方向與四分之一波長板的快軸的夾 角，可以改變通過雷射的偏振方向。使雷射經過透鏡聚焦後的偏振方 向互相垂直或是平行。並利用時間延遲平台(Delay stage)來控制兩道 雷射的時間重合度，當兩道雷射光偏振平行時，移動時間延遲平台來 量測雷射的強度，可以得到干涉圖形。而在訊號強度最大處即為時間 重合最佳處，若改變其中一道雷射的偏振方向，使兩道雷射偏振相互 垂直。
本實驗使用兩道線偏振雷射誘發 YBCO 薄膜的週期性表面結構，
Intensity (V)
Delay time (fs)
Interference
圖4-44 兩道雷射偏振互相平行的干涉圖形
Intensity (V)
Delay time (fs)
No interference
圖4-45 兩道雷射偏振互相垂直的干涉圖形
在 室 溫 300 K 且 一 大 氣 壓 (760 torr) ， 樣 品 編 號 為 YBCO-20091223，使用焦距為 35 mm 的平凸透鏡，總雷射功率為 411 mW，光束 A 為 212 mW，光束 B(經過旋轉 45°的四分之ㄧ波長板)為 268 mW，將 YBCO 置於電控平台的載台上正向入射，刀口法量測光 點大小，光點為橢圓形，長軸~448 μm，短軸~268 μm，面積為 9.43×10-4 cm2，使用per pulse fluence 公式計算列成下表。
表4-17 Per pulse fluence
Beam A Beam B Total Per pulse fluence
(mJ/cm2) 45 57 87
控制照射時間參數，分別為5 s、10 s、30 s 與 60 s，照射 YBCO 薄膜上的四個區域，經過雷射誘發後，以 SEM 觀察 YBCO 薄膜，如 圖 4-46，兩道光束的偏振方向是相互垂直，起初是希望見到兩個方向 垂直的波紋交錯，產生整齊的格子狀分佈，但是卻誘發出點狀的結構。
脈衝數目少時，點的形狀為圓形，隨著脈衝數目增加，點的直徑增加 且輪廓趨向不規則。觀察圖中的點狀結構並沒有週期性的排列，大小 也從500 nm 到 1500 nm 不等，由傅立葉轉換的結果也無法顯示圖形 具 有 週 期 性 (圖 4-47)。然後以影像處理程式對 SEM 加上門檻 (threshold)，統計同樣面積下(約 20.44×20.44 μm2)SEM 影像上點狀物 的大小分佈，圖 4-47 中被標示紅色的為較高的點，做成 dots 的分佈
並附上趨勢線，如圖 4-48。統計上我們忽略小於直徑 400 nm 的點，
在SEM 影像上我們並不認為小於此直徑的點屬於誘發結構。如此，在 25k pulses 時，趨勢線的峰值主要在 600 nm 左右，但隨脈衝數目增 加，趨勢線的峰值下降，且分佈往較大的 size 延伸，藉由增加脈衝數 目可以使點狀物增大。統計曲線下的總個數如表 4-18，儘管不同脈衝 數目，點狀物的總個數大致在300~400 個，表示相同的能量密度下，
誘發的點狀密度是相同的，除此之外可以觀察到在若干點狀物的中心 部份有破裂的痕跡，似乎物質由這些點內噴發出來，同樣的情況在一 道線偏振雷射誘發結構的波紋結構中也出現過，如圖 4-22 與圖 4-26，
在波紋結構上存在下陷的破裂處。
圖4-46 不同脈衝數目誘發點狀結構 (b) 25 k pulses (a) No irradiation
5 μm Direction of polarization
(d) 150 k pulses (c) 50 k pulses
(e) 300 k pulses
FFT SEM Mark by threshold
圖4-47 兩道偏振互相垂直雷射的照射結果 (a) No irradiation
(b) 25k pulses
(c) 50k pulses
(d) 150k pulses
(e) 300k pulses
450 850 1250 1650 2050 2450 2850 3250
60 600 1000 1400 1800 2200 2600 3000
number
Dots size (nm)
300k pulses
number
150k pulses
number
50k pulses
number 25k pulses
圖4-48 點狀物的大小統計 表4-18 Dots 總數目統計
25k pulses 50k pulses 150k pulses 300k pulses Total
Element
(Atomic%) 1 2 3
Sr L 8.47 9.05 9.52 Ti K 6.08 7.42 8.36 Y L 2.38 1.63 1.59 Ba L 2.62 2.49 1.74 Cu L 7.87 8.03 8.16 O K 72.58 71.38 70.62 Totals 100
圖4-49 25k pluses 的 EDS 影像 & 表 4-19 EDS 分析 (a) 25 k pulses
2 1
3
Direction of polarization
(c) Spectrum 2 (d) Spectrum 3 (b) Spectrum 1
Element
(Atomic%) 1 2 3 Sr L 9.54 8.03 6.11 Ti K 6.99 6.75 5.42 Y L 1.48 2.04 1.98 Ba L 2.73 1.24 2.9 Cu L 8.69 7.49 9.72
O K 70.56 74.46 73.88 Totals 100
圖4-50 150k pluses 的 EDS 影像 & 表 4-20 EDS 分析 (a) 150 k pulses
3 2 1
Direction of polarization
(b) Spectrum 1 (c) Spectrum 2 (d) Spectrum 3