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系統識別號 U0002-0508201511101200
中文論文名稱 多層核殼微米圓盤的光子奈米噴流現象研究
英文論文名稱 The study of photonic nanojets of the multi-layer core-shell microdisks
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 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 蕭凱隆
研究生英文姓名 Kai-Lung Hsiao
學號 602370024
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-07-10
論文頁數 131頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-張天立
委員-林清彬
中文關鍵字 光子奈米噴流  核殼圓盤  繞射極限 
英文關鍵字 photonic nanojet  core-shell microdisk  diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文研究三種金屬薄殼(金、銀、銅)的聚二甲基矽氧烷微米圓盤,在三種雷射光(671nm、532nm、405nm)照射下產生的光子奈米噴流現象。研究方法分為理論計算和實驗量測兩個部份,在理論計算方面,本論文使用時域有限差分法來模擬不同金屬核殼微米圓盤在不同直徑和不同入射光波照射下,光子奈米噴流的光場分佈和光強度的變化。在核殼微米圓盤製程方面,本論文使用半導體製程和翻模技術先做出核心微米圓盤,再利用真空濺鍍系統將圓盤鍍上金屬薄殼而形成薄殼微米圓盤。在實驗量測方面,本論文自行架設出高靈敏度光學顯微鏡系統來觀察核殼微米圓盤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,本論文發現不同的金屬薄殼材料能夠改變微米圓盤產生的光子奈米噴流特性,例如使聚焦效果變好、增加焦距、或增加聚焦強度,未來可應用於高解析度光學顯微鏡中以觀察各種奈米級的目標物。
英文摘要 The photonic nanojets generated by a laser source in three metal shells (gold, silver, and copper) each enclosing a polydimethylsiloxane microdisk are studied. Lasers of wavelengths 671 nm, 532 nm, and 405 nm are used as a light source for each microdisk. This study is divided into two parts—theoretical calculation, and experimentation. In theoretical calculations, the finite-difference time-domain method is used to simulate the intensity distribution of photonic nanojets at different metal shell, diameters, and incident wavelengths. The core microdisks are created using semiconductor manufacturing technologies. A sputtering system is used to plate metal shells on the dielectric core. The measurement of photonic nanojets in the core-shell microdisks is performed in experiment with a high sensitivity optical microscope system. A computer program is written to analyze the parameters of photonic nanojets, including radial shift, full width at half maximum, and decay length. The simulation results are compared with experimental data. The study found the photonic nanojet characteristics can be changed by different metal shell materials. In the future, this technique can be applied to high-resolution optical microscopes for observing nanoscale objects.
論文目次 目錄
誌謝 Ⅰ
中文摘要 Ⅱ
英文摘要 Ⅲ
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XVI
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 奈米光子噴流特徵 12
2.3 數值方法 13
2.4 金屬表面電漿共振 18
第3章 光子奈米噴流數值模擬 19
3.1 模型建立 19
3.2 微米圓盤薄殼材料的改變對光子奈米噴流影響 21
3.2.1 單層核殼微米圓盤能量分佈圖 21
3.2.2 雙層核殼微米圓盤能量分佈圖 24
3.2.3 不同薄殼材料與光子奈米噴流焦距關係 26
3.2.4 不同薄殼材料與光子奈米噴流半高全寛關係 30
3.2.5 不同薄殼材料與光子奈米噴流衰減長度關係 35
3.2.6 不同薄殼材料與光子奈米噴流強度關係 39
第4章 實驗製程 50
4.1 實驗目的 50
4.2 半導體製程 51
4.2.1 光罩設計 51
4.2.2 晶圓製程步驟 53
4.2.3 微米圓盤成品 55
4.2.4 真空濺鍍 57
第5章 奈米光子噴流量測系統介紹 61
5.1 系統架構 61
5.2 光學顯微鏡 62
5.3 電荷耦合元件 64
5.4 物鏡 66
5.5 光源 67
5.6 三軸電控平台 69
第6章 奈米噴流量測結果 70
6.1 無殼PDMS微盤 70
6.2 單層金薄殼PDMS微盤 77
6.3 單層銀薄殼PDMS微盤 84
6.4 單層銅薄殼PDMS微盤 91
6.5 雙層銅銀殼PDMS微盤 98
6.6 雙層金銀殼PDMS微盤 105
6.7 光子奈米噴流之參數分析 112
6.7.1 單位正規化 112
6.7.2 無殼PDMS微盤之參數分析 113
6.7.3 單層金薄殼PDMS微盤之參數分析 115
6.7.4 單層銀薄殼PDMS微盤之參數分析 117
6.7.5 單層銅薄殼PDMS微盤之參數分析 119
6.7.6 雙層銅銀殼PDMS微盤之參數分析 121
6.7.7 雙層金銀殼PDMS微盤之參數分析 123
第7章 結論 125
參考文獻 127

圖目錄
圖 1 1 文獻使用之量測架構[23] 5
圖 1 2 3μm乳膠微球的光子奈米噴流現象[23] 5
圖 1 5微盤結構及厚度[28] 6
圖 1 6 (a)文獻實驗所使用之設備 (b)微盤直徑為6.5μm經綠光照射後所產生的聚焦情形[28] 6
圖 1 3 多層核殼圓模型[27] 6
圖 1 4 相鄰層折射率改變對光子奈米噴流的影響[27] 6
圖 1 7 三種不同入射光照射在2μm玻璃微球的噴流情形[33] 7
圖 1 8 文獻實驗模擬圖:(a)矽球(b)矽金雙層球(c)金球[35] 8
圖 1 9 本論文架構圖 10
圖 2 1 光子奈米噴流結構示意圖 12
圖 2 2 FDTD單位網格電磁場配置 15
圖 2 3 電場和磁場隨時間變化交替圖 15
圖 3 1多層核殼微米圓盤的數值模型 19
圖 3 2 d=5μm的單層核殼微盤能量分佈圖 21
圖 3 3 d=8μm的單層核殼微盤能量分佈圖 22
圖 3 4 d=8μm的單層核殼微盤能量分佈圖:(a)單層金薄殼 (b)單層銅薄殼 22
圖 3 5 d=10μm的單層核殼微盤能量分佈圖 23
圖 3 6 d=15μm的單層核殼微盤能量分佈圖 23
圖 3 7 d=5μm的雙層核殼微盤能量分佈圖 24
圖 3 8 d=8μm的雙層核殼微盤能量分佈圖 24
圖 3 9 d=10μm的雙層核殼微盤能量分佈圖 25
圖 3 10 d=15μm的雙層核殼微盤能量分佈圖 25
圖 3 11 d=5μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 26
圖 3 12 d=8μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 27
圖 3 13 d=10μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 27
圖 3 14 d=15μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 28
圖 3 15 d=5μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 28
圖 3 16 d=8μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 29
圖 3 17 d=10μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 29
圖 3 18 d=15μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 30
圖 3 19 d=5μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流半高全寬的關係 31
圖 3 20 d=8μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流半高全寬的關係 31
圖 3 21 d=10μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流半高全寬的關係 32
圖 3 22 d=15μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流半高全寬的關係 32
圖 3 23 d=5μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流半高全寬的關係 33
圖 3 24 d=8μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流半高全寬的關係 33
圖 3 25 d=10μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流半高全寬的關係 34
圖 3 26 d=15μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流半高全寬的關係 34
圖 3 27 d=5μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流衰減長度的關係 35
圖 3 28 d=8μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流衰減長度的關係 36
圖 3 29 d=10μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流衰減長度的關係 36
圖 3 30 d=15μm單層核殼微米圓盤對光子奈米噴流衰減長度的關係 37
圖 3 31 d=5μm雙層核殼微米圓盤對光子奈米噴流衰減長度的關係 37
圖 3 32 d=8μm雙層核殼微米圓對光子奈米噴流衰減長度的關係 38
圖 3 33 d=10μm雙層核殼微米圓對光子奈米噴流衰減長度的關係 38
圖 3 34 d=15μm雙層核殼微米圓對光子奈米噴流衰減長度的關係 39
圖 3 35-1 d=5μm 671nm紅光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 40
圖 3 36 d=5μm 532nm綠光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 41
圖 3 37 d=5μm 405nm藍光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 41
圖 3 38 d=8μm 671nm紅光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 42
圖 3 39 d=8μm 532nm綠光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 43
圖 3 40 d=8μm 405nm藍光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 43
圖 3 41 d=10μm 671nm紅光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 45
圖 3 42 d=10μm 532nm綠光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 45
圖 3 43 d=10μm 405nm藍光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 46
圖 3 44 d=15μm 671nm紅光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 47
圖 3 45 d=15μm 532nm綠光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 48
圖 3 46 d=15μm 405nm藍光雷射對不同薄殼材料的光子奈米噴流聚焦強度關係 49
圖 4 1 實驗示意圖 50
圖 4 2 光罩:(a)光罩設計圖 (b)光罩成品 52
圖 4 3 製程步驟示意圖 53
圖 4 4 光阻塗佈旋轉速度與時間關係圖 54
圖 4 5 共軛焦顯微鏡 55
圖 4 6 PDMS微盤直徑:(a)5μm (b)8μm (c)10μm (d)15μm 55
圖 4 7 真空濺鍍機 57
圖 4 8 聚焦離子束與電子束顯微系統 58
圖 4 9 單層銀薄殼PDMS微盤剖面圖:(a)全剖面圖 (b)局部剖面圖 59
圖 4 10 雙層銅銀殼PDMS微盤剖面圖:(a)全剖面圖 (b)局部剖面圖 60
圖 5 1 實驗整體系統圖 61
圖 5 2光學顯微鏡示意圖 62
圖 5 3 XYZ三軸電控平台 69
圖 6 1 671nm紅光雷射於不同直徑PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 70
圖 6 2 532nm綠光雷射於不同直徑PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 70
圖 6 3 405nm藍光雷射於不同直徑PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 70
圖 6 4 671nm紅光雷射於不同直徑之無殼PDMS微盤的光子奈米噴流現象變化(亮場) 71
圖 6 5 671nm紅光雷射於不同直徑之無殼PDMS微盤的光子奈米噴流現象變化(暗場) 72
圖 6 6 532nm綠光雷射於不同直徑之無殼PDMS微盤的光子奈米噴流現象變化(亮場) 73
圖 6 7 532nm綠光雷射於不同直徑之無殼PDMS微盤的光子奈米噴流現象變化(暗場) 74
圖 6 8 405nm藍光雷射於不同直徑之無殼PDMS微盤的光子奈米噴流現象變化(亮場) 75
圖 6 9 405nm藍光雷射於不同直徑之無殼PDMS微盤的光子奈米噴流現象變化(暗場) 76
圖 6 10 671nm紅光雷射於不同直徑單層金薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 77
圖 6 11 532nm綠光雷射於不同直徑單層金薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 77
圖 6 12 405nm藍光雷射於不同直徑單層金薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 77
圖 6 13 671nm紅光雷射於不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 78
圖 6 14 671nm紅光雷射於不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 79
圖 6 15 532nm綠光雷射於不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 80
圖 6 16 532nm綠光雷射於不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 81
圖 6 17 405nm藍光雷射於不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 82
圖 6 18 405nm藍光雷射於不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 83
圖 6 19 671nm紅光雷射於不同直徑單層銀薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 84
圖 6 20 532nm綠光雷射於不同直徑單層銀薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 84
圖 6 21 405nm藍光雷射於不同直徑單層銀薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 84
圖 6 22 671nm紅光雷射於不同直徑的單層銀薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 85
圖 6 23 671nm紅光雷射於不同直徑的單層銀薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 86
圖 6 24 532nm綠光雷射於不同直徑的單層銀薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 87
圖 6 25 532nm綠光雷射於不同直徑的單層銀薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 88
圖 6 26 405nm紅光雷射於不同直徑的單層銀薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 89
圖 6 27 405nm藍光雷射於不同直徑的單層銀薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 90
圖 6 28 671nm紅光雷射於不同直徑單層銅薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 91
圖 6 29 532nm綠光雷射於不同直徑單層銅薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 91
圖 6 30 405nm藍光雷射於不同直徑單層銅薄殼PDMS微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 91
圖 6 31 671nm紅光雷射於不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 92
圖 6 32 671nm紅光雷射於不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 93
圖 6 33 532nm綠光雷射於不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 94
圖 6 34 532nm紅光雷射於不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 95
圖 6 35 405nm藍光雷射於不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 96
圖 6 36 405nm藍光雷射於不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 97
圖 6 37 671nm紅光雷射於不同直徑的雙層銅銀殼微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 98
圖 6 38 532nm綠光雷射於不同直徑的雙層銅銀殼微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 98
圖 6 39 405nm藍光雷射於不同直徑的雙層銅銀殼微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 98
圖 6 40 671nm紅光雷射於不同直徑的雙層銅銀殼微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 99
圖 6 41 671nm紅光雷射於不同直徑的的雙層銅銀殼微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 100
圖 6 42 532nm綠光雷射於不同直徑的的雙層銅銀殼微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 101
圖 6 43 532nm綠光雷射於不同直徑的的雙層銅銀殼微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 102
圖 6 44 405nm藍光雷射於不同直徑的的雙層銅銀殼微盤之光子奈米噴流現象變化(亮場) 103
圖 6 45 405nm藍光雷射於不同直徑的的雙層銅銀殼微盤之光子奈米噴流現象變化(暗場) 104
圖 6 46 671nm紅光雷射於不同直徑的雙層金銀殼微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 105
圖 6 47 532nm綠光雷射於不同直徑的雙層金銀殼微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 105
圖 6 48 405nm藍光雷射於不同直徑的雙層金銀殼微盤產生效果最好的光子奈米噴流聚焦圖 105
圖 6 49 671nm紅光雷射於不同直徑的雙層金銀殼之光子奈米噴流現象變化(亮場) 106
圖 6 50 671nm紅光雷射於不同直徑的雙層金銀殼之光子奈米噴流現象變化(暗場) 107
圖 6 51 532nm綠光雷射於不同直徑的雙層金銀殼之光子奈米噴流現象變化(亮場) 108
圖 6 52 532nm綠光雷射於不同直徑的雙層金銀殼之光子奈米噴流現象變化(暗場) 109
圖 6 53 405nm藍光雷射於不同直徑的雙層金銀殼之光子奈米噴流現象變化(亮場) 110
圖 6 54 405nm藍光雷射於不同直徑的雙層金銀殼之光子奈米噴流現象變化(暗場) 111
圖 6 55 0.01mm標準片 112
圖 6 56 電腦程式分析0.01nm標準片數據 112
圖 6 57不同直徑的無殼PDMS微盤之噴流焦距與入射光波長關係圖 113
圖 6 58不同直徑的無殼PDMS微盤之噴流半高全寬與入射光波長關係圖 114
圖 6 59不同直徑的無殼PDMS微盤之噴流衰減長度與入射光波長關係圖 114
圖 6 60不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之噴流焦距與入射光波長關係圖 115
圖 6 61不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之噴流半高全寬與入射光波長關係圖 116
圖 6 62不同直徑的單層金薄殼PDMS微盤之噴流衰減長度與入射光波長關係圖 116
圖 6 63不同直徑的單層銀薄殼PDMS微盤之噴流焦距與入射光波長關係圖 117
圖 6 64 不同直徑的單層銀薄殼PDMS微盤之噴流半高全寬與入射光波長關係圖 118
圖 6 65 不同直徑之單層銀薄殼PDMS微盤之噴流衰減長度與入射光波長關係圖 118
圖 6 66不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之噴流焦距與入射光波長關係圖 119
圖 6 67不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之噴流半高全寬與入射光波長關係圖 120
圖 6 68不同直徑的單層銅薄殼PDMS微盤之噴流衰減長度與入射光波長關係圖 120
圖 6 69 不同直徑的雙層銅銀殼PDMS微盤之噴流焦距與入射光波長關係圖 121
圖 6 70不同直徑的雙層銅銀殼PDMS微盤之噴流半高全寬與入射光波長關係圖 122
圖 6 71不同直徑的雙層銅銀殼PDMS微盤之噴流衰減長度與入射光波長關係圖 122
圖 6 72不同直徑的雙層金銀殼微盤之噴流焦距與入射光波長關係圖 123
圖 6 73不同直徑的雙層金銀殼微盤之噴流半高全寬與入射光波長關係圖 124
圖 6 74不同直徑的雙層金銀殼微盤之噴流衰減長度與入射光波長關係圖 124

表目錄
表 3 1 數值模擬模型參數表 20
表 4 1 PDMS微盤製程參數 56
表 4 2 濺鍍參數 57
表 4 3 鍍金參數 58
表 5 1光學顯微鏡各部份的名稱 63
表 5 2 CCD攝影機之規格比較 65
表 5 3 物鏡規格比較表 66
表 5 4 紅光雷射規格 67
表 5 5 綠光雷射規格 68
表 5 6 藍光雷射規格 68

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