本論文主要研究微米方柱結構在不同波長的雷射照射下，產生的光子奈米噴流現象，根據光波的傳播方向可以分成穿透式與反射式，微米方柱的材料為聚二甲基矽氧烷和二氧化矽，方柱結構則使用半導體製程和翻模技術製作出來。本論文的研究方法為理論模擬與實驗量測，針對不同尺寸大小的微米方柱和有無金屬薄殼，觀察所形成的光子奈米噴流之變化。在理論方面，本論文使用時域有限差分法模擬不同金屬殼的微米方柱在不同尺寸大小和不同的入射波長照射下，光場分佈和光強度的變化。在實驗量測方面，本論文使用高靈敏度光學顯微鏡系統觀察薄殼微米方柱的光子奈米噴流現象，並撰寫電腦程式計算出光子奈米噴流的各項參數，如噴流焦距、半高全寬、衰減長度等，最後將模擬計算和實驗結果互相比較。本論文發現鍍有金屬殼的微米方柱比起無殼微米方柱的噴流現象效果更佳，聚焦清晰可見、光強度更集中，此研究結果可幫助未來奈米等級光學顯微鏡的發展。

In this study, the photonic nanojets are created by micro-cuboid structures at different wavelengths of laser. The propagation directions of lightwave include penetrating and reflection modes. The materials of micro-cuboids are polydimethylsiloxane(PDMS) and SiO2. The cuboid structures are fabricated by semiconductor and replica molding processes. The research procedure of this study include theoretical calculation and experimental measurements. The variations of photonic nanojets are observed in different dimension of micro-cuboids and metallic shells. In theoretical method, the finite-difference time-domain method is used to simulate the intensity distribution of photonic nanojets in the different core-shell cuboids at different wavelengths. In experimental measurements, the high sensitivity optical microscope system are used to observe the actual image of photonic nanojets in different micro-cuboids. The parameters of photonic nanojets are calculated by computer program including focal length, Full Width at Half Maximum(FWHM), and decay length. The experimental data are compared with simulation results. The effect of photonic nanojets are created by core-shell micro-cuboids is better than dielectric micro-cuboids. The spot and intensity are more clear and concentration. The study results can help to develop the nano-scale optical microscope in the future.

誌謝………………………………………………….….......................…………….....I
中文摘要…………………………………………………….……………………………………..…....................II
Abstract…………………………………………………….……………………………………..….....................III
目錄…………………………………………………………………………….……………….………...................IV
圖目錄…………………………………………………………….....……………………………….....................VI
表目錄………………………………………………………………........................................................XI
第1章 前言	1
1.1 研究緣起	1
1.2 文獻回顧	4
1.3 研究目的與架構	9
第2章 理論分析	11
2.1 米氏散射理論	11
2.2 光子奈米噴流特徵	12
2.3 數值方法	13
第3章 光子奈米噴流數值模擬	19
3.1 模型建立	19
3.2 微米方柱邊長改變對光子奈米噴流的影響	23
3.2.1 穿透式無殼微米方柱模擬圖	23
3.2.2 穿透式鍍金微米方柱模擬圖	25
3.2.3 穿透式鍍銀微米方柱模擬圖	26
3.2.4 穿透式鍍銅微米方柱模擬圖	28
3.2.5 反射式鍍二氧化矽微米方柱模擬圖	29
3.2.6 不同材料殼與光子奈米噴流之焦距關係	32
3.2.7 不同材料殼與光子奈米噴流之半高全寬關係	34
3.2.8 不同材料殼與光子奈米噴流之衰減長度關係	36
3.2.9 不同材料殼與光子奈米噴流之聚焦強度關係	38
3.2.10 在固定邊長對不同的二氧化矽厚度與光子奈米噴流之焦距關係	44
第4章 光子奈米噴流量測系統介紹	45
4.1 系統架構	45
4.2 光學顯微鏡	47
4.3 電荷耦合元件	49
4.4 物鏡	51
4.5 光源	52
4.6 三軸電控平台	54
第5章 實驗製程	55
5.1 實驗目的	55
5.2 半導體製程	57
5.2.1 光罩設計	57
5.2.2 試片製程步驟	59
5.2.3 微米方柱成品	61
5.2.4 鍍金機及真空濺鍍	63
5.2.5 聚焦離子束與電子束顯微系統(FIB)	65
第6章 奈米噴流量測結果與數值分析	68
6.1 穿透式PDMS微米方柱	68
6.2 穿透式鍍金PDMS微米方柱	75
6.3 穿透式鍍銀PDMS微米方柱	82
6.4 穿透式鍍銅PDMS微米方柱	89
6.5 反射式量測結果	96
6.6 量測單位的正規化	97
6.6.1 無殼微米方柱之數據分析	98
6.6.2 金殼微米方柱之數據分析	102
6.6.3 銀殼微米方柱之數據分析	106
6.6.4 銅殼微米方柱之數據分析	110
第7章 結論及未來展望	114
參考文獻	115
	 
圖目錄
圖 1-1文獻的量測架構	5
圖 1-2正向光源照射3μm乳膠微球	10
圖 1-3 (a)方柱矩陣模擬圖 (b)方柱模擬量測圖	7
圖 1-4各種形狀的微米結構的光子奈米噴流	7
圖 1-5 (a)(b)邊長6μm方柱的光子奈米噴流	8
圖 1-6立體半球模擬	8
圖 1-7厚度與邊長比對照圖	8
圖 1-8本研究實驗架構圖	10
圖 2-1光子奈米噴流結構示意圖	12
圖 2-2 FDTD單位空間電磁場分佈	15
圖 2-3電場和磁場在時間軸上的交替變化	15
圖 3-1微米方柱的數值模型	19
圖 3-2鍍金屬微米方柱的模型	20
圖 3-3反射式90度微米方柱的模型	20
圖 3-4反射式45度微米方柱的模型	21
圖 3-5尺寸6微米方柱模擬圖	23
圖 3-6尺寸8微米方柱模擬圖	24
圖 3-7尺寸10微米方柱模擬圖	24
圖 3-8尺寸6微米鍍金方柱模擬圖	25
圖 3-9尺寸8微米鍍金方柱模擬圖	25
圖 3-10尺寸10微米鍍金方柱模擬圖	26
圖 3-11尺寸6微米鍍銀方柱模擬圖	26
圖 3-12尺寸8微米鍍銀方柱模擬圖	27
圖 3-13尺寸10微米鍍銀方柱模擬圖	27
圖 3-14尺寸6微米鍍銅方柱模擬圖	28
圖 3-15尺寸8微米鍍銅方柱模擬圖	28
圖 3-16尺寸10微米鍍銅方柱模擬圖	29
圖 3-17角度90度反射式方柱模擬圖	30
圖 3-18角度45度反射式方柱模擬圖	31
圖 3-19邊長6μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流焦距的關係圖	32
圖 3-20邊長8μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流焦距的關係圖	33
圖 3-21邊長10μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流焦距的關係圖	33
圖 3-22邊長6μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流半高全寬的關係圖	34
圖 3-23邊長8μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流半高全寬的關係圖	35
圖 3-24邊長10μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流半高全寬的關係圖	35
圖 3-25邊長6μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流衰減長度的關係圖	36
圖 3-26邊長8μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流衰減長度的關係圖	37
圖 3-27邊長10μm各種核殼微米方柱對光子奈米噴流衰減長度的關係圖	37
圖 3-28在671nm紅光雷射下邊長6微米對不同材料殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	38
圖 3-29在532nm綠光雷射下邊長6微米對不同材料殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	39
圖 3-30在405nm藍光雷射下邊長6微米對不同材料殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	39
圖 3-31在671nm紅光雷射下邊長8微米對不同材料殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	40
圖 3-32在532nm綠光雷射下邊長8微米對不同材料殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	41
圖 3-33在405nm藍光雷射下邊長8微米對不同材料殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	41
圖 3-34在671nm紅光雷射下邊長10微米對不同材料殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	42
圖 3-35在532nm綠光雷射下邊長10微米對不同材料殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	43
圖 3-36在405nm藍光雷射下邊長10微米對無殼和銀殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	43
圖 3-37在405nm藍光雷射下邊長10微米對金殼和銅殼的光子奈米噴流聚焦強度的關係圖	44
圖 4-1穿透式整體量測系統圖	45
圖 4-2反射式整體量測系統圖	46
圖 4-3 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡示意圖	47
圖 4-4 XYZ三軸電控平台	54
圖 5-1穿透式實驗示意圖	55
圖 5-2反射式實驗結構圖	56
圖 5-3光罩設計圖	58
圖 5-4光罩實際圖	58
圖 5-5旋圖速度與時間關係	59
圖 5-6試件製程步驟	60
圖 5-7共軛焦顯微鏡	61
圖 5-8微米方柱成品6μm	62
圖 5-9微米方柱成品8μm	62
圖 5-10微米方柱成品10μm	62
圖 5-11鍍金機	63
圖 5-12真空濺鍍機	64
圖 5-13聚焦離子束與電子束顯微系統圖	65
圖 5-14鍍銀殼之PDMS微米方柱剖面圖	66
圖 5-15鍍銅殼之PDMS微米方柱剖面圖	67
圖 6-1波長671nm紅光於不同邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	68
圖 6-2波長532nm綠光於不同邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	68
圖 6-3波長405nm藍光於不同邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	68
圖 6-4波長671nm紅光雷射於不同邊長之無殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	69
圖 6-5波長671nm紅光雷射於不同邊長之無殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	70
圖 6-6波長532nm綠光雷射於不同邊長之無殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	71
圖 6-7波長532nm綠光雷射於不同邊長之無殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	72
圖 6-8波長405nm藍光雷射於不同邊長之無殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	73
圖 6-9波長405nm藍光雷射於不同邊長之無殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	74
圖 6-10波長671nm紅光於不同鍍金邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	75
圖 6-11波長532nm綠光於不同鍍金邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	75
圖 6-12波長405nm藍光於不同鍍金邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	75
圖 6-13波長671nm紅光雷射於不同邊長之金殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	76
圖 6-14波長671nm紅光雷射於不同邊長之金殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	77
圖 6-15波長532nm綠光雷射於不同邊長之金殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	78
圖 6-16波長532nm綠光雷射於不同邊長之金殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	79
圖 6-17波長405nm藍光雷射於不同邊長之金殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	80
圖 6-18波長405nm藍光雷射於不同邊長之金殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	81
圖 6-19波長671nm紅光於不同鍍銀邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	82
圖 6-20波長532nm綠光於不同鍍銀邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	82
圖 6-21波長405nm藍光於不同鍍銀邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	82
圖 6-22波長671nm紅光雷射於不同邊長之銀殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	83
圖 6-23波長671nm紅光雷射於不同邊長之銀殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	84
圖 6-24波長532nm綠光雷射於不同邊長之銀殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	85
圖 6-25波長532nm綠光雷射於不同邊長之銀殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	86
圖 6-26波長405nm藍光雷射於不同邊長之銀殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	87
圖 6-27波長405nm藍光雷射於不同邊長之銀殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	88
圖 6-28波長671nm紅光於不同鍍銅邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	89
圖 6-29波長532nm綠光於不同鍍銅邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	89
圖 6-30波長405nm藍光於不同鍍銅邊長PDMS微米方柱產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖	89
圖 6-31波長671nm紅光雷射於不同邊長之銅殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	90
圖 6-32波長671nm紅光雷射於不同邊長之銅殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	91
圖 6-33波長532nm綠光雷射於不同邊長之銅殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	92
圖 6-34波長532nm綠光雷射於不同邊長之銅殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	93
圖 6-35波長405nm藍光雷射於不同邊長之銅殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (亮場)	94
圖 6-36波長405nm藍光雷射於不同邊長之銅殼PDMS微米方柱的光子奈米噴流現象變化 (暗場)	95
圖 6-37反射式90度波長532nm綠光於不同邊長二氧化矽微米方柱聚焦圖	96
圖 6-38反射式45度波長532nm綠光於不同邊長二氧化矽微米方柱聚焦圖	96
圖 6-39標準試片	97
圖 6-40標準試片分析數據圖	97
圖 6-41不同邊長無殼微米方柱之噴流焦距和入射波長關係圖	99
圖 6-42不同邊長無殼微米方柱之半高全寬和入射波長關係圖	100
圖 6-43不同邊長無殼微米方柱之衰減長度和入射波長關係圖	101
圖 6-44不同邊長鍍金殼微米方柱之噴流焦距和入射波長關係圖	103
圖 6-45不同邊長鍍金殼微米方柱之半高全寬和入射波長關係圖	104
圖 6-46不同邊長鍍金殼微米方柱之衰減長度和入射波長關係圖	105
圖 6-47不同邊長鍍銀殼微米方柱之噴流焦距和入射波長關係圖	107
圖 6-48不同邊長鍍銀殼微米方柱之半高全寬和入射波長關係圖	108
圖 6-49不同邊長鍍銀殼微米方柱之衰減長度和入射波長關係圖	109
圖 6-50不同邊長鍍銅殼微米方柱之噴流焦距和入射波長關係圖	111
圖 6-51不同邊長鍍銅殼微米方柱之半高全寬和入射波長關係圖	112
圖 6-52不同邊長鍍銅殼微米方柱之衰減長度和入射波長關係圖	113








 
表目錄
表3-1數值模擬模型參數表	22
表4-1光學顯微鏡各元件部為名稱	48
表4-2 MLx205與SV-C393-2NU CCD 規格比較	50
表4-3 ∞PLL物鏡規格比較表	51
表4-4紅光雷射規格	52
表4-5綠光雷射規格	53
表4-6藍光雷射規格	53
表5-1 PDMS製程參數	62
表5-2 鍍金參數	63
表5-3 濺鍍參數	64

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[50] 蕭凱隆, “多層核殼微米圓盤的光子奈米噴流現象研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-131), 2015
[51] 林凡智, “介電非圓形圓盤的光子奈米噴流現象研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-116), 2015