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系統識別號 U0002-0209201918434500
中文論文名稱 介電質微米穹形珠體的光子奈米噴流
英文論文名稱 Photonic nanojet of a dielectric micro-dome
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 李易庭
研究生英文姓名 Yi-Ting Li
學號 606350196
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-07-04
論文頁數 57頁
口試委員 指導教授-林清彬
委員-劉承揚
委員-張子欽
中文關鍵字 光子奈米噴流  蜘蛛絲  紡錘體  穹型珠體  繞射極限 
英文關鍵字 Photonic nanojet  Spider silk  Spindle-knots  Dome beads  Diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 光子奈米噴流的光點遠小於入射光波長且具有能量集中的特性,可以用來檢測和成像尺寸遠低於繞射極限的物質。本研究提出一種新穎的方法製造穹型珠體,首先將家幽靈蛛(Pholcus phalangioides)的曳絲浸潤於感光性UV膠(dragline silk),藉由蜘蛛絲的集水特性,感光性UV膠會在蜘蛛絲表面自然形成紡錘珠體(spindle-knots),再將未固化的紡錘珠體與低表面能的白蠟平板接觸後,藉由白蠟的斥水效應將紡錘珠體變為微米穹型珠體(micro-dome),接著使用UV光給予固化成微米穹型珠體,最後經由三種雷射光波長(405nm、532nm、671nm)照射下產生光子奈米噴流。本研究使用時域有限差分法來模擬不同入射光波長對不同尺寸微米穹型珠體之光子奈米噴流的光場分佈和光強度的變化及使用共軛焦及自行架設出三軸雷射微調系統來觀察不同尺寸微米穹型珠體的光子奈米噴流現象,並撰寫電腦程式分析光子奈米噴流現象的各種參數,包括噴流焦距、半高全寬、衰減長度等。經由模擬與實驗結果的互相比較,本研究發現不同尺寸的微米穹型珠體均能增加光子奈米噴流的聚焦效果、增加焦距長度、及增加聚焦強度。
英文摘要 Photon nanojet has two characteristics, namely that the spot is much smaller than the incident wavelength and concentrates energy, so photon nanojet can provide a tool for observing and imaging substance dimension below the diffraction limit. This study proposes a novel method for making micro-dome beads. First, the surface of Pholcus phalangioides is dipped into a photocurable UV resin. Due to the water-collecting properties of the spider silk, the surface of the spider silk naturally forms a spindle-shaped bead, and then the uncured spindle bead is touched with the white wax plate. The liquid spindle bead is transformed into a micron-sized dome by the water repellent effect of the white wax, and then the liquid micro-dome is cured by UV light irradiation. Finally, photon nano jet is generated by irradiation of three kinds of laser light wavelengths (405 nm, 532 nm, 671 nm). In this study, the finite-difference time-domain method is used to simulate the light field distribution and light intensity of different laser light wavelengths for different sizes of micron-sized bead bodies. And using a conjugate focal length microscope and self-erecting a three-axis laser trimming system to observe the phenomenon of photon nanojet flow in different size micron-sized beads. And write a computer program to analyze the various parameters of the photon nanojet phenomenon, including the focal length, the full width at half maximum, and attenuation length. Through the comparison of simulation and experimental results, this study found that different sizes of micron-sized dome bead can increase the focusing effect of photon nanojet, increase the focal length, and increase the focusing intensity.
論文目次 目錄
第一章 導論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 3
1.2.1 奈米噴流相關模擬文獻 3
1.2.2 奈米噴流實驗的相關文獻 5
1.3 研究目的與方法 11
1.4 論文架構 12
第二章 理論分析 13
2.1 米氏散射理論 13
2.2 金屬表面電漿共振 14
2.3 光子奈米噴流特徵 15
2.4 有限差分時域法(Finite Difference Time Domain method,FDTD) 16
第三章 實驗製程 23
3.1 實驗流程 23
3.2 實驗步驟與器材 24
3.2.1 蜘蛛絲採集 24
3.2.2 微米尺寸穹珠體製作 26
第四章 各項數值模擬及光學量測之比較 31
4.1 數值模擬 31
4.1.1 模型建立 31
4.2 光子奈米噴流的數值模擬 33
4.2.1 穹體能量分佈圖 33
4.3 數值分析 39
4.3.1 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流焦距的關係 39
4.3.2 不同穿透厚度(D) 對半高全寬的關係 40
4.3.3 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流衰減長度關係 40
4.3.4 不同穿透厚度(D) 對光子奈米噴流強度關係 41
第五章 光學量測結果 46
5.1 光學量測 46
5.1.1 微米穹體奈米噴流量測圖 46
5.2 光子奈米噴流之參數分析 47
5.2.1 單位正規畫 47
5.2.2 穹體之參數分析-焦距 48
5.2.3 穹體之參數分析-半高全寬 49
5.2.4 穹體之參數分析-衰減長度 50
5.2.5 穹體之參數分析-噴流強度 51
第六章 結論 53
參考文獻 54

圖目錄
圖1-1橢圓柱體(因為對稱性所以只計算右半部分) 4
圖1-2 Dx =0.9μm微透鏡顆粒MMP模擬 4
圖1-3 雙層電介質半球產生的光子奈米噴流比較 5
圖 1-4 3μm乳膠微球的光子奈米噴流現象 6
圖 1-5三種不同入射光照射在2μm玻璃微球的噴流情形 7
圖 1-6 多種形狀微米結構的光子奈米噴流現象 8
圖1-7 蜘蛛絲集水結構及集水過程 10
圖2-1 米氏理論示意圖 14
圖2-2 光子奈米噴流示意圖 16
圖2-3 FDTD單位網格電磁場配置 19
圖2-4 電場和磁場隨時間變化交替圖 19
圖 3-1 實驗流程圖 23
圖3-2蜘蛛絲放置器 24
圖3-3家幽靈蜘蛛 25
圖3-4取絲機構 25
圖3-5(a)感光性UV膠均勻淋上蜘蛛絲及(b)靜置的示意圖 26
圖 3-6白蠟平台 27
圖3-7 曝光機 28
圖 3-8穹型珠體示意圖 28
圖3-9小型蜘蛛絲載具 29
圖3-10角度調整器 29
圖3-11藍光雷射 30
圖3-12綠光雷射 30
圖3-13紅光雷射 30
圖4-1光子噴流示意圖 31
圖4-2數值模擬圖參數為532nm的綠光雷射及穿透厚度(D)為4μm 33
圖4-3(a)紅光雷射照射厚度4μm穹體的能量分佈圖(b)綠光雷射照射厚度4μm穹體的能量分佈圖(c)藍光雷射照射厚度4μm穹體的能量分佈圖 34
圖4-4(a)紅光雷射照射厚度8μm穹體的能量分佈圖(b)綠光雷射照射厚度8μm穹體的能量分佈圖(c)藍光雷射照射厚度8μm穹體的能量分佈圖 36
圖4-5(a)紅光雷射照射厚度10μm穹體的能量分佈圖(b)綠光雷射照射厚度10μm穹體的能量分佈圖(c)藍光雷射照射厚度10μm穹體的能量分佈圖 37
圖4-6(a)紅光雷射照射厚度12μm穹體的能量分佈圖(b)綠光雷射照射厚度12μm穹體的能量分佈圖(c)藍光雷射照射厚度12μm穹體的能量分佈圖 38
圖4-7 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流焦距(F)關係圖 39
圖4-8不同穿透厚度(D)對半高全寬(FWHM)關係圖 40
圖4-9不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流衰減長度(L)關係圖 41
圖4-10 671nm的紅光對穿透厚度D=4μm、8μm、10μm、12μm的穹體的光子奈米噴流強度關係圖 42
圖4-11 532nm的綠光對穿透厚度D=4μm、8μm、10μm、12μm的穹體的光子奈米噴流強度關係圖 43
圖4-12 405nm的藍光對穿透厚度D=4μm、8μm、10μm、12μm的穹體的光子奈米噴流強度關係圖 44
圖4-13為671nm的紅光、532nm的綠光和405nm的藍光對穿透厚度D=4μm、8μm、10μm、12μm的穹體的噴流強度變化關係圖 45
圖5-1 0.01mm標準片 47
圖5-2 電腦程式分析0.01mm標準片數據 48
圖5-3為不同穿透厚度(D)與焦距(F)關係圖 49
圖5-4為不同穿透厚度(D)與焦距(F)關係圖 50
圖5-5不同穿透厚度(D)與衰減長度(L)關係圖 51
圖5-6不同穿透厚度(D)與噴流強度關係圖 52

表目錄
表2-1 Maxwell equations之符號物理意義及單位 17
表4-1數值模擬參數 32
表5-1 HC微米穹體 46

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