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系統識別號 U0002-0909201421062300
中文論文名稱 光子奈米噴流傳播模態於串聯微米介電圓盤之研究
英文論文名稱 The study of nanojet induced modes from a chain of 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 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 李俊祺
研究生英文姓名 Jyun-Ci Li
學號 601370272
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-07-10
論文頁數 91頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-林清彬
委員-張天立
中文關鍵字 光子奈米噴流  微米圓盤  晶圓製程  傳播模態 
英文關鍵字 Photonic nanojet  microdisk  wafer 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本文主要研究當微米圓盤成線性排列時,引起的光子奈米噴流傳播現象,稱為光子奈米噴流傳播模態。由氮化矽和二氧化矽兩種串聯微米圓盤,分別用紅光(671nm)、綠光(532nm)以及藍光(405nm)三種不同波長的雷射照射。本研究可分成理論分析及實驗測量兩部份進行研究。在理論方面,我們使用時域有限差分法,分別對不同微盤直徑、不同微盤折射率、不同光波長以及不同環境折射率進行模擬,觀察光子奈米噴流傳播模態的行為,並計算其傳輸效率、散射以及反射損失。在實驗測量方面,可分為兩項,第一項為晶圓製程,使用台灣大學奈米機電系統研究中心進行製程加工處理,第二項為晶圓量測及分析,使用本實驗式設計的光子奈米噴流量測系統觀察微米圓盤所產生的光子噴流傳播現象,分別照射在直徑3.5μm、4.5μm以及8.5μm的微米圓盤上,再將光纖探針放置於串聯微米圓盤的後方,利用光纖探針將光導入光譜儀中,進而取得光譜數據,並且與模擬結果相互驗證,此研究結果有助於解決高科技產業中影像量測以及傳輸問題。
英文摘要 This paper studies of nanojet induced modes from a chain of microdisks. We fabricated the SiO2 and Si3N4 microdisks at different di-ameter. The laser of wavelength 671 nm, 532 nm, and 405 nm is used to be a light source for dielectric microdisk. This research can be divided into two parts, the theoretical analysis and experimental measurements to study. In the theatrical, We have a method of finite-difference time-domain We use the different microdisk diamter, different microdisk index of refraction, Different wavelengths and Refraction in different en-vironments to simulate. In experiment, the dielectric microdisks are made by using semiconductor manufacturing technology. The measure-ment of photonic nanojet is performed with a high sensitivity optical mi-croscope system. The photonic nanojets are observed from the collected images for microdisks of 3.5 μm, 4.5 μm, and 8.5 μm diameters, then the fiber probe is placed in the rear tandem microdisk. The light would be indicate spectrometer by fiber probe to obtain the data, and mutual authentication with the simulation result. The study will help to solve the problems of nano-scale image measurement and transmission in high technology industry.
論文目次 目錄
中文摘要............................................................I
英文摘要...........................................................II
目錄..............................................................III
圖目錄..............................................................V
表目錄..............................................................X
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與目標 3
第2章 數值分析 4
2.1 馬克斯威爾方程式 4
2.2 時域有限差分法 5
2.3 散射理論 6
第3章 數值模擬 7
3.1 模型建立 7
3.2 模擬結果 9
3.2.1 氮化矽於空氣中的傳輸效率 9
3.2.2 氮化矽於油中的傳輸效率 11
3.2.3 氮化矽於空氣中的散射損失 13
3.2.4 氮化矽於油中的散射損失 15
3.2.5 氮化矽於空氣中的反射損失 17
3.2.6 氮化矽於油中的反射損失 19
3.2.7 二氧化矽於空氣中的傳輸效率 21
3.2.8 二氧化矽於油中的傳輸效率 23
3.2.9 二氧化矽於空氣中的散射損失 25
3.2.10 二氧化矽於油中的散射損失 27
3.2.11 二氧化矽於空氣中的反射損失 29
3.2.12 二氧化矽於油中的反射損失 31
第4章 光子奈米噴流量測系統介紹 33
4.1 光學顯微鏡 35
4.2 電荷耦合元件 37
4.3 物鏡 39
4.4 光源 40
4.5 三軸電控平台 42
4.6 光纖探針 43
4.7 光譜儀 45
第5章 實驗量測 47
5.1 實驗製程 47
5.1.1 設計光罩 47
5.1.2 晶圓製程 49
5.2 光子奈米噴流傳播模態量測 53
5.2.1 氮化矽微盤 53
5.2.2 二氧化矽微盤 67
5.3 傳輸分析 81
5.3.1 氮化矽微盤之數值分析 84
5.3.2 二氧化矽微盤之數值分析 86
第6章 結論 88
圖目錄

圖2-1 (a) 三維Yee晶格、(b)二維x-y平面的Yee晶格.....................5
圖3-1 串聯微米圓盤數值模型.........................................7
圖3-2 於空氣中波長671nm下氮化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……9
圖3-3 於空氣中波長532nm下氮化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……10
圖3-4 於空氣中波長405nm下氮化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……10
圖3-5 於油中在波長671nm下氮化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……11
圖3-6 於油中在波長532nm下氮化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……12
圖3-7 於油中在波長405nm下氮化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……12
圖3-8 於空氣中在波長671nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的散射損失………13
圖3-9 於空氣中在波長532nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的散射損失………14
圖3-10 於空氣中在波長405nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的散射損失……14
圖3-11 於油中在波長671nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的散射損失………15
圖3-12 於油中在波長532nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的散射損失………16
圖3-13 於油中在波長405nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的散射損失………16
圖3-14 於空氣中在波長671nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的反射損失……17
圖3-15於空氣中在波長532nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的反射損失……18
圖3-16於空氣中在波長405nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的反射損失………18
圖3-17於油中在波長671nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的反射損失…………19
圖3-18於油中在波長532nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的反射損失…………20
圖3-19於油中在波長405nm下微米圓盤直徑3μm到9μm的反射損失…………20
圖3-20於空氣中波長671nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率…21
圖3-21於空氣中波長532nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率…22
圖3-22於空氣中波長405nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率…22
圖3-23於油中波長671nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……23
圖3-24於油中波長532nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……24
圖3-25於油中波長405nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm傳輸效率……24
圖3-26於空氣中波長671nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm散射損失…25
圖3-27於空氣中波長532nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm散射損失…26
圖3-28於空氣中波長405nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm散射損失…26
圖3-29於油中在波長671nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm散射損失…27
圖3-30於油中在波長532nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm散射損失…28
圖3-31於油中在波長405nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm散射損失…28
圖3-32於空氣中波長671nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm反射損失…29
圖3-33於空氣中波長532nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm反射損失…30
圖3-34於空氣中波長405nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm反射損失…30
圖3-35於油中在波長671nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm反射損失…31
圖3-36於油中在波長532nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm反射損失…32
圖3-37於油中在波長405nm下二氧化矽微米圓盤直徑3μm到9μm反射損失…32
圖4-1光學系統架構示意圖……………………………………………………….33
圖4-2 光學系統整體架構圖………………………………………………………34
圖4-3 MICROTECH LX500-M實驗架構圖……………………………………………35
圖4-4為XYZ軸電控平台……………………………………………………………42
圖4-5 光纖探針截面………………………………………………………………44
圖4-6 Red Tide Spectrometer USB650光譜儀……………………………………45
圖5-1 光罩設計圖1……………………………………………………………….48
圖5-2 光罩設計圖2……………………………………………………………….48
圖5-3 製程步驟圖…………………………………………………………………………………………………49
圖5-4 塗佈時間與速度圖1……………………………………………………….50
圖5-5 塗佈時間與速度圖2……………………………………………………….51
圖5-6 直徑3.5μm微米圓盤蝕刻完成圖…………………………………………51
圖5-7直徑4.5μm微米圓盤蝕刻完成圖…………………………………………52
圖5-8直徑8.5μm微米圓盤蝕刻完成圖………………………………………….52
圖5-9微盤直徑3.5μm在671nm紅光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………53
圖5-10微盤直徑3.5μm在532nm綠光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………53
圖5-11微盤直徑3.5μm在405nm藍光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………53
圖5-12微盤直徑4.5在671nm紅光雷射下的光子奈米噴流傳播模態…………54
圖5-13微盤直徑4.5在532nm綠光雷射下的光子奈米噴流傳播模態…………54
圖5-14微盤直徑4.5μm在405nm藍光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………54
圖5-15微盤直徑8.5μm在671nm紅光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………54
圖5-16微盤直徑8.5μm在532nm綠光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………54
圖5-17微盤直徑8.5μm在405nm藍光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………54
圖5-18 671nm紅光雷射於Si3N4串聯微盤直徑3.5μm傳輸現象變化……………55
圖5-19 671nm紅光雷射於Si3N4串聯微盤直徑4.5μm傳輸現象變化……………56
圖5-20 671nm紅光雷射於Si3N4串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………57
圖5-21 671nm紅光雷射於Si3N4串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………58
圖5-22 532nm綠光雷射於Si3N4串聯微盤直徑3.5μm傳輸現象變化……………59
圖5-23 532nm綠光雷射於Si3N4串聯微盤直徑4.5μm傳輸現象變化……………60
圖5-24 532nm綠光雷射於Si3N4串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………61
圖5-25 532nm綠光雷射於Si3N4串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………62
圖5-26 405nm藍光雷射於Si3N4串聯微盤直徑3.5μm傳輸現象變化……………63
圖5-27 532nm藍光雷射於Si3N4串聯微盤直徑4.5μm傳輸現象變化……………64
圖5-28 405nm藍光雷射於Si3N4串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………65
圖5-29 405nm藍光雷射於Si3N4串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………66
圖5-30微盤直徑3.5μm在671nm紅光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………67
圖5-31微盤直徑3.5μm在532nm綠光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………67
圖5-32微盤直徑3.5μm在405nm藍光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………67
圖5-33微盤直徑4.5μm在671nm紅光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………68
圖5-34微盤直徑4.5μm在532nm綠光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………68
圖5-35微盤直徑4.5μm在405nm藍光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………68
圖5-36微盤直徑8.5μm在671nm紅光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………68
圖5-37微盤直徑8.5μm在532nm綠光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………68
圖5-38微盤直徑8.5μm在405nm藍光雷射下的光子奈米噴流傳播模態………68
圖5-39 671nm紅光雷射於SiO2串聯微盤直徑3.5μm傳輸現象變化……………69
圖5-40 671nm紅光雷射於SiO2串聯微盤直徑4.5μm傳輸現象變化……………70
圖5-41 671nm紅光雷射於SiO2串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………71
圖5-42 671nm紅光雷射於SiO2串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………72
圖5-43 532nm綠光雷射於SiO2串聯微盤直徑3.5μm傳輸現象變化……………73
圖5-44 532nm綠光雷射於SiO2串聯微盤直徑4.5μm傳輸現象變化……………74
圖5-45 532nm綠光雷射於SiO2串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………75
圖5-46 532nm綠光雷射於SiO2串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………76
圖5-47 405nm藍光雷射於SiO2串聯微盤直徑3.5μm傳輸現象變化……………77
圖5-48 405nm藍光雷射於SiO2串聯微盤直徑4.5μm傳輸現象變化……………78
圖5-49 405nm藍光雷射於SiO2串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………79
圖5-50 405nm藍光雷射於SiO2串聯微盤直徑8.5μm傳輸現象變化……………80
圖5-51 紅光雷射初始光譜強度圖……………………………………………….81
圖5-52 綠光雷射初始光譜強度圖……………………………………………….81
圖5-53 藍光雷射初始光譜強度圖……………………………………………….82
圖5-54 直徑3.5μm串聯微米圓盤連接光纖探針……………………………….82
圖5-55 直徑4.5μm串聯微米圓盤連接光纖探………………………………….83
圖5-55 直徑8.5μm串聯微米圓盤連接光纖探針……………………………….83
圖5-56 氮化矽串聯微米微盤於紅光雷射下之衰減率……………………………84
圖5-57 氮化矽串聯微米微盤於綠光雷射下之衰減率………………………….85
圖5-58 氮化矽串聯微米微盤於藍光雷射下之衰減率………………………….85
圖5-59 二氧化矽串聯微米微盤於紅光雷射下之衰減率……………………….86
圖5-60 二氧化矽串聯微米微盤於綠光雷射下之衰減率……………………….87
圖5-61二氧化矽串聯微米微盤於藍光雷射下之衰減率………………………..87


























表目錄
表3-1 模型數值參數……………………………………………………………….8
表4-1 金相顯微鏡各部分名稱……………………………………………………36
表4-2 Microtech SV-C393-2NU和MicroLine MLx205的規格比較………………38
表4-3 ∞PLL20X、∞PLL50X、∞PLL100X物鏡規格表……………………………39
表4-4紅光雷射規格……………………………………………………………….40
表4-5綠光雷射規格……………………………………………………………….41
表4-6 藍光雷射規格………………………………………………………………41
表4-7 SAM光纖規格表………………………………………………………………43
表4-8 光譜儀規格…………………………………………………………………46
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