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系統識別號 U0002-1008201511593400
中文論文名稱 介電非圓形微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 dielectric non-spherical 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 林凡智
研究生英文姓名 Fan-Chih Lin
學號 602370248
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2015-07-10
論文頁數 116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  非圓形微盤  晶圓製程  繞射極限 
英文關鍵字 photonic nanojets  non-spherical microdisk  wafer  diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 根據先前文獻可知,微盤的形狀對於光子奈米噴流的產生有相當大的影響,因此本論文研究兩種介電材料(二氧化矽與聚二甲基矽氧烷)的非圓形微盤在三種(紅、綠、藍)雷射光源照射下產生的光子奈米噴流現象。本論文將不同直徑的圓盤截斷成相同寬度的非圓形微盤來進行理論計算與實驗量測。在理論計算方面,本論文使用時域有限差分法來模擬各種寬度非圓形微盤的光子奈米噴流光場分佈與光強度變化。在非圓形微盤製程方面,本論文使用半導體製程和翻模技術,做出兩種介電材料的非圓形微盤。在實驗量測方面,本論文使用高靈敏度光學顯微系統,來觀察非圓形微盤光子奈米噴流的實際影像,並撰寫電腦程式來計算光子奈米噴流的各種參數,其中包含噴流焦距、半高全寬、衰減長度。經由數值計算和實驗結果相互驗證,本論文發現改變非圓形微盤的寬度就能夠控制光子奈米噴流的聚焦效果、增加焦距、提高衰減長度或增加聚焦強度,這些特性有助於發展下世代的奈米級光學顯微物鏡。
英文摘要 According to previous literatures, the shape of the microdisk has a considerable effect on the generation of photonic nanojets. In this research, photonic nanojets produced by non-spherical microdisks in two dielectric materials (silica and polydimethylsiloxane) at three laser sources (red, green and blue lasers) are studied. The spherical microdisks of different diameters are truncated in the same width of non-spherical microdisks for theoretical calculation and experimental measurements. In theoretical calculations, we use finite-difference time-domain method to simulate photonic nanojet distributions in various widths of non-spherical microdisks. In the manufacturing process, we use semiconductor process and replica molding technology to fabricate non-spherical microdisks in two dielectric materials. In the experimental measurements, we use a high sensitivity optical microscope to observe the real images of photonic nanojets. The key parameters of photonic nanojets are calculated by computer program which include jet focal, full width at half maximum and decay length. The enhancement of focusing effect, focal length and decay length can be controlled by changing the width of the non-spherical microdisks. These nanojet properties can help the future development of the nanoscale optical microscope objectives.
論文目次 目錄
中文摘要………………………………………………….………………………………………………………….……I
英文摘要…………………………………………………….…………………………………………….…………..…II
目錄…………………………………………………………………………….………………………….……….………III
圖目錄…………………………………………………………….....………………………….……………………….VI
表目錄………………………………………………………………......................................................XVI
第1章 前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究動機與目的 7
第2章 理論分析 9
2.1 Mie散射理論 9
2.2 光子奈米噴流特徵 10
2.3 數值方法 11
第3章 介電非圓形微盤之光子奈米噴流數值模擬 16
3.1 模型建立 16
3.2 介電微米圓盤寬度(T)改變對光子奈米噴流影響 18
3.2.1 二氧化矽介電非圓形微盤模擬圖 19
3.2.2 PDMS介電非圓形微盤模擬圖 22
3.2.3 二氧化矽介電非圓形微盤寬度對噴流焦距關係 26
3.2.4 PDMS介電非圓形微盤寬度對噴流焦距關係 28
3.2.5 二氧化矽介電非圓形微盤寬度對噴流半高全寛關係 30
3.2.6 PDMS介電非圓形微盤寬度對噴流半高全寛關係 32
3.2.7 二氧化矽介電非圓形微盤寬度對噴流衰減長度關係 34
3.2.8 PDMS介電非圓形微盤寬度對噴流衰減長度關係 36
3.2.9 二氧化矽介電非圓形微盤寬度對噴流強度關係 38
3.2.10 PDMS介電非圓形微盤寬度對噴流強度關係 45
第4章 實驗製程 52
4.1 實驗目的 52
4.2 實驗前製程 53
4.2.1 光罩設計 53
4.2.2 二氧化矽晶圓製程步驟 57
4.2.3 PDMS製程步驟參數 59
4.2.4 二氧化矽晶圓製程成品 61
4.2.5 PDMS晶圓製程成品 65
第5章 光子奈米噴流量測系統介紹 70
5.1 實驗架構 70
5.2 光學顯微鏡 71
5.3 電荷耦合元件 73
5.4 物鏡 75
5.5 光源 76
5.6 三軸電控平台 78
第6章 奈米噴流量測與數據分析 80
6.1 介電非圓形光子奈米噴流量測 80
6.1.1 二氧化矽介電非圓形微盤(T=6μm) 81
6.1.2 二氧化矽介電非圓形微盤(T=8μm) 82
6.1.3 二氧化矽介電非圓形微盤(T=10μm) 83
6.1.4 二氧化矽介電橢圓R1.5微盤(T=6、8、10μm) 84
6.1.5 二氧化矽介電橢圓R2.0微盤(T=6、8、10μm) 85
6.1.6 PDMS介電非圓形微盤(T=6μm) 86
6.1.7 PDMS介電非圓形微盤(T=8μm) 87
6.1.8 PDMS介電橢圓R1.5盤(T=6、8、10μm) 88
6.1.9 PDMS介電橢圓R2.0微盤(T=6、8、10μm) 89
6.1.10 單位正規化 90
6.1.11 二氧化矽介電非圓形微盤之數據分析 91
6.1.12 二氧化矽介電橢圓微盤之數據分析 97
6.1.13 PDMS介電非圓形微盤之分析 100
6.1.14 PDMS介電橢圓微盤之數據分析 106
第7章 結論與未來展望 109
7.1 結論 109
7.2 未來展望 111
參考文獻 112


圖目錄
圖 1 1不同直徑與折射率對光子奈米噴流現象影響[21] 5
圖 1 2利用正向光源測量3μm微米圓球[24] 6
圖 1 3 不同波長照射在2μm玻璃微球所產生的光子奈米噴流現象[26] 6
圖 2 1光子奈米噴流結構示意圖 10
圖 2 2 FDTD空間分割 13
圖 2 3 FDTD 電磁場演算順序圖 14
圖 3 1各種非圓形微盤的數值模型 17
圖 3 2二氧化矽介電非圓形微盤模擬圖 19
圖 3 3二氧化矽介電非圓形微盤模擬圖 20
圖 3 4二氧化矽介電非圓形微盤模擬圖 20
圖 3 5二氧化矽介電橢圓微盤模擬圖 21
圖 3 6二氧化矽介電橢圓微盤模擬圖 22
圖 3 7 PDMS介電非圓形微盤模擬圖 23
圖 3 8 PDMS介電非圓形微盤模擬圖 23
圖 3 9 PDMS介電非圓形微盤模擬圖 24
圖 3 10 PDMS介電橢圓微盤模擬圖 24
圖 3 11 PDMS介電橢圓微盤模擬圖 25
圖 3 12非圓形微盤噴流焦距與波長關係 26
圖 3 13非圓形微盤噴流焦距與波長關係 26
圖 3 14非圓形微盤噴流焦距與波長關係 27
圖 3 15橢圓微盤噴流焦距與波長關係 27
圖 3 16 非圓形微盤噴流焦距與波長關係 28
圖 3 17非圓形微盤噴流焦距與波長關係 28
圖 3 18 非圓形微盤噴流焦距與波長關係 29
圖 3 19橢圓微盤噴流焦距與波長關係 29
圖 3 20非圓形微盤噴流FWHM與波長關係 30
圖 3 21非圓形微盤噴流FWHM與波長關係 30
圖 3 22非圓形微盤噴流FWHM與波長關係 31
圖 3 23橢圓微盤噴流FWHM與波長關係 31
圖 3 24非圓形微盤噴流FWHM與波長關係 32
圖 3 25非圓形微盤噴流FWHM與波長關係 32
圖 3 26非圓形微盤噴流FWHM與波長關係 33
圖 3 27橢圓微盤噴流FWHM與波長關係 33
圖 3 28非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係 34
圖 3 29非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係 34
圖 3 30非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係 35
圖 3 31橢圓微盤噴流衰減長度與波長關係 35
圖 3 32非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係 36
圖 3 33非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係 36
圖 3 34非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係 37
圖 3 35橢圓微盤噴流衰減長度與波長關係 37
圖 3 36紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 38
圖 3 37綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 39
圖 3 38藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 39
圖 3 39紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 40
圖 3 40綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 40
圖 3 41藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 40
圖 3 42紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 41
圖 3 43綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 41
圖 3 44藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 42
圖 3 45紅光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 42
圖 3 46綠光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 43
圖 3 47藍光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 43
圖 3 48紅光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 44
圖 3 49綠光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 44
圖 3 50藍光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 44
圖 3 51紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 45
圖 3 52綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 45
圖 3 53藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 46
圖 3 54紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 46
圖 3 55綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 47
圖 3 56藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 47
圖 3 57紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 48
圖 3 58綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 48
圖 3 59藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係 48
圖 3 60紅光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 49
圖 3 61綠光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 49
圖 3 62藍光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 50
圖 3 63紅光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 50
圖 3 64綠光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 51
圖 3 65藍光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係 51
圖 4 1實驗示意圖 53
圖 4 2光罩設計圖 54
圖 4 3 光罩圖 54
圖 4 4二氧化矽製程步驟 55
圖 4 5 PDMS製程步驟 56
圖 4 6 二氧化矽光阻旋塗速度與時間關係 57
圖 4 7 PDMS光阻旋塗速度與時間關係 59
圖 4 8 在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=6μm (b) d=9μm (c) d=12μm (d) 25μm 61
圖 4 9在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=8μm (b) d=12μm (c) d=15μm (d) 30μm 62
圖 4 10在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=10μm (b) d=15μm (c) d=20μm (d) 40μm 62
圖 4 11 在相同長短軸比例(R)下橢圓微盤成品:(a) T=(6 μm) (b) T=(8μm) (c) T=(10μm) 63
圖 4 12在相同長短軸比例(R)下橢圓微盤成品:(a) T=(6 μm) (b) T=(8μm) (c) T=(10μm) 63
圖 4 13在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=6μm (b) d=9μm (c) d=12μm (d) 25μm 65
圖 4 14在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=8μm (b) d=12μm (c) d=15μm (d) 30μm 66
圖 4 15在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=10μm (b) d=15μm (c) d=20μm (d) 40μm 67
圖 4 16在相同長短軸比例(R)下橢圓微盤成品:(a) T=(6 μm) (b) T=(8μm) (c) T=(10μm) 68
圖 4 17在相同長短軸比例(R)下橢圓微盤成品:(a) T=(6 μm) (b) T=(8μm) (c) T=(10μm) 69
圖 5 1本實量測系統圖 70
圖 5 2 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡示意圖 72
圖 5 3 XYZ三軸控制器示意圖 78
圖 5 4 XYZ三軸控制器 79
圖 6 1紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 81
圖 6 2綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 81
圖 6 3藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 81
圖 6 4紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 82
圖 6 5綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 82
圖 6 6藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 82
圖 6 7紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 83
圖 6 8綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 83
圖 6 9藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 83
圖 6 10紅光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 84
圖 6 11綠光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 84
圖 6 12藍光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 84
圖 6 13紅光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 85
圖 6 14綠光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 85
圖 6 15藍光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 85
圖 6 16紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 86
圖 6 17綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 86
圖 6 18藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 86
圖 6 19紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 87
圖 6 20綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 87
圖 6 21藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形 87
圖 6 22紅光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 88
圖 6 23綠光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 88
圖 6 24藍光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 88
圖 6 25紅光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 89
圖 6 26綠光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 89
圖 6 27藍光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形 89
圖 6 28標準片 90
圖 6 29電腦程式分析刻畫玻片數據圖 90
圖 6 30 6μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係 91
圖 6 31 8μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係 92
圖 6 32 10μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係 92
圖 6 33 6μm非圓形微盤FWHM對波長關係 93
圖 6 34 8μm非圓形微盤FWHM對波長關係 94
圖 6 35 10μm非圓形微盤FWHM對波長關係 94
圖 6 36 6μm非圓形微盤衰減長度對波長關係 95
圖 6 37 8μm非圓形微盤衰減長度對波長關係 96
圖 6 38 10μm非圓形微盤衰減長度對波長關係 96
圖 6 39 6、8、10μm橢圓微盤噴流焦距對波長關係 97
圖 6 40 6、8、10μm橢圓微盤FWHM對波長關係 98
圖 6 41 6、8、10μm橢圓微盤衰減長度對波長關係 99
圖 6 42 6μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係 100
圖 6 43 8μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係 101
圖 6 44 10μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係 101
圖 6 45 6μm非圓形微盤FWHM對波長關係 102
圖 6 46 8μm非圓形微盤FWHM對波長關係 102
圖 6 47 10μm非圓形微盤FWHM對波長關係 103
圖 6 48 6μm非圓形微盤衰減長度對波長關係 104
圖 6 49 8μm非圓形微盤衰減長度對波長關係 105
圖 6 50 10μm非圓形微盤衰減長度對波長關係 105
圖 6 51 6、8、10μm橢圓微盤噴流焦距對波長關係 106
圖 6 52 6、8、10μm橢圓微盤FWHM對波長關係 107
圖 6 53 6、8、10μm橢圓微盤衰減長度對波長關係 108
表目錄
表 3 1數值模擬模型參數表 17
表 4 1二氧化矽製程參數 64
表 4 2 PDMS製程參數 69
表 5 1 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡各部位名稱 72
表 5 2 MLx205與SV-C393-2NU CCD 規格比較 74
表 5 3物鏡規格比較表 75
表 5 4紅光雷射規格 76
表 5 5綠光雷射規格 77
表 5 6藍光雷射規格 77


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