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系統識別號 U0002-1209201314243400
中文論文名稱 單顆介電微米圓球之光子奈米噴流的數值分析與實驗
英文論文名稱 Numerical analysis and experiment of photonic nanojet of single dielectric microsphere.
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 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 王永勛
研究生英文姓名 Yung-Hsun Wang
學號 600370083
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-07-26
論文頁數 60頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-孫崇訓
委員-張天立
中文關鍵字 光子奈米噴流  微米圓球  繞射極限 
英文關鍵字 photonic nanojet  microsphere  diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究主要觀察單顆聚苯乙烯微米圓球經由波長為632.8nm及白光的平面波照射後,所產生光子奈米噴流的現象。本研究主要可分成理論分析及實驗量測兩部分進行探討。在理論方面,我們利用時域有限差分法,分別對不同入射光波長、不同折射率及不同直徑大小微米圓球進行模擬,並且分析微米圓球所產生的光子奈米噴流之光場分布和光場強度及影響光子奈米噴流形成的參數。在實驗方面,我們設計了一套低照度的光學顯微系統來觀察微米圓球所產生的光子奈米噴流,依光源入射方向分為正向量測及側向量測,正向光源為50W的鹵素光源、側向光源為1.0mW的氦氖紅光雷射,波長為632.nm,分別照射在直徑3μm、5μm、8μm和126μm的微米圓球上,並分析光子奈米噴流其焦距、半高全寬及衰減長度與微米圓球直徑的關係。最後將實驗數據及理論分析進行相互驗證,可以發現實驗數據的趨勢與理論分析相同。光子奈米噴流有著光點遠小於入射光波長且能量集中的特性,本論文的研究結果將有助於解決高科技產業中奈米等級的影像量測問題。
英文摘要 This study aims to observe the phenomenon of the photonic nanojets which are created after a plane wave at the wavelength of 632.8nm and the white light illuminates on the single polystyrene microsphere. Our research can divide into two parts. One is theoretical analysis, we use the finite difference time domain to simulate the mode of microsphere which has different wavelength of incident light, refractive indices and diameter. The other is practical experiment, we set up an optical microscope system to observe the photonic nanojets which are created by 3μm、5μm、8μm and 126μm microsphere. According to the direction of incident light, there are two kinds of measurements. One is measured by normal light which use 50W white light. The other is measured by 1.0mw lateral light, the wavelength of He-Ne laser is 632.8nm. The experimental data are compared with the theoretical analysis. It can be founded that experimental data and theoretical analysis have same result. Photonic nanojets have two characteristics which are spot is much smaller than the wavelength of incident and the energy is concentrated. The results of this study will help to solve the problems of nano-scale image measurement in high-tech industry.
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………………………………………………………………...VIII
第 1 章 前言 1
1.1 研究緣起 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究目的及架構 6
第 2 章 理論分析 8
2.1 Mie散射理論 8
2.2 光子奈米噴流的特徵 9
2.3 數值方法 10
第 3 章 光子奈米噴流數值模擬 15
3.1 模型建立 15
3.2 入射光波長改變對光子奈米噴流影響探討 17
3.2.1 入射光波長與光子奈米噴流焦距關係 17
3.2.2 入射光波長與光子奈米噴流半高全寬關係 19
3.2.3 入射光波長與光子奈米噴流衰減長度關係 20
3.3微米圓球折射率改變對光子奈米噴流影響探討 21
3.3.1 微米圓球折射率與光子奈米噴流焦距關係 21
3.3.2 微米圓球折射率與光子奈米噴流半高全寬關係 23
3.3.3 微米圓球折射率與光子奈米噴流衰減長度關係 24
3.4微米圓球直徑改變對光子奈米噴流影響探討 25
3.4.1 微米圓球直徑與光子奈米噴流焦距關係 25
3.4.2 微米圓球直徑與光子奈米噴流半高全寬關係 26
3.4.3 微米圓球直徑與光子奈米噴流衰減長度關係 26
3.4.4 微米圓球直徑與光子奈米噴流強度關係 27
第 4 章 光子奈米噴流量測系統介紹 29
4.1 整體系統架構 29
4.2 光學顯微鏡 29
4.3 電荷耦合元件 32
4.4 物鏡 34
4.5 光源 35
4.6 載物平台及壓電平台 37
第 5 章 奈米光子噴流量測及分析 38
5.1 實驗目的 38
5.2 實驗系統設備選用及參數設定 39
5.3 實驗流程 41
5.4光子奈米噴流正向光源量測及分析 42
5.4.1 實驗數據 42
5.4.2 單位正規化 46
5.4.3 數據分析 47
5.5光子奈米噴流測向光源量測及分析 49
5.5.1實驗數據 50
5.5.2數據分析 54
5-6 光纖導光對準126μm聚氯乙烯微米圓球量測 55
第 6 章 結論與建議 57
6.1 結論 57
6.2 建議 58
文獻回顧 59




圖目錄
圖 1 1文獻所使用實驗量測設備 5
圖 1 2正向光源量測3μm微米圓球 5
圖 1 3側向光源量測3μm微米圓球 5
圖 1 4不同波長照射在2μm的玻璃微米圓球所產生的光子奈米噴流 5
圖 1 5實驗架構圖 7
圖 2 1光子奈米噴流特徵 9
圖 2 2 FDTD晶格點的電場與磁場會隨時間做交叉變化 11
圖 2 3 (A)TE mode (B)TM mode 14
圖 3 1微米圓球的數值模型 15
圖 3 2入射光波長與光子奈米噴流焦距的關係 17
圖 3 3入射光波長分別為(a) 520nm、(b)660nm光子奈米噴流能量分佈 18
圖 3 4入射光波長與光子奈米噴流半高全寬的關係 19
圖 3 5入射光波長與光子奈米噴流衰減長度的關係 20
圖 3 6微米圓球折射率與光子奈米噴流焦距的關係 21
圖 3 7 (a)折射率1.5(b)折射率1.64(c)折射率1.8光子奈米噴流能量分佈 22
圖 3 8微米圓球折射率與光子奈米噴流半高全寬關係 23
圖 3 9微米圓球折射率與光子奈米噴流衰減長度關係 24
圖 3 10微米圓球的直徑與光子奈米噴流焦距的關係 25
圖 3 11微米圓球直徑對光子奈米噴流半高全寬 26
圖 3 12微米圓球直徑對光子奈米噴流衰減長度的關係 27
圖 3 13微米圓球直徑與光子奈米噴流聚焦強度關係 27
圖 3 14光子奈米噴流在不同直徑微米圓球的能量分布(a)3μm(b) 5μm(d) 8μm 28
圖 4 1本實驗整體系統圖 29
圖 4 2雙透鏡光路圖 30
圖 4 3三透鏡光路圖 30
圖 4 4 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡示意圖 31
圖 4 5 150W鹵素光下光源組 35
圖 4 6 45度角下光源反射鏡組 35
圖 4 7五軸微調控制氦氖紅光雷射光源組 36
圖 4 8奈米級z軸壓電控制平台 37
圖 5 1實驗示意圖 38
圖 5 2實驗流程圖 41
圖 5 3分別為正向光源照射在,直徑3μm、 5μm、 8μm微米圓球效果最好的光子奈米噴流圖像 42
圖 5 4 3μm聚苯乙烯微米圓球的光子奈米噴流正向光源量測 43
圖 5 5 5μm聚苯乙烯微米圓球的光子奈米噴流正向光源量測 44
圖 5 6 8μm聚苯乙烯微米圓球的光子奈米噴流正向光源量測 45
圖 5 7 0.01mm刻畫玻片 46
圖 5 8電腦程式分析0.01mm刻畫玻片數據圖 46
圖 5 9 微米圓球直徑與強度關係圖 47
圖 5 10微米圓球直徑與半高全寬關係圖 48
圖 5 11紅光雷射照射在126μm的聚苯乙烯球 49
圖 5 12經紅光雷射照射,微米圓球後方產生聚焦的噴流 49
圖 5 13分別為直徑3μm、 5μm、 8μm微米圓球效果最好的奈米噴流圖像 50
圖 5 14 3μm聚苯乙烯微米圓球的光子奈米噴流側向光源量測 51
圖 5 15 5μm聚苯乙烯微米圓球的光子奈米噴流側向光源量測 52
圖 5 16 8μm聚苯乙烯微米圓球的光子奈米噴流側向光源量測 53
圖 5 17微米圓球直徑與焦距關係 54
圖 5 18微米圓球直徑與衰減長度關係 54
圖 5 19 光纖微調控制平台 55
圖 5 20 利用光纖對準126μm聚苯乙烯微米圓球的光子奈米噴流側向光源量測 56

表目錄
表 2 1 E及H分量在空間中的座標 11
表 3 1數值模擬模型參數表 16
表 4 1 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡各部位名稱 31
表 4 2 MLx205與SV-C393-2NU CCD 規格比較表 33
表 4 3 MPLAPON 100XO與∞PLL100X規格比較表 34
表 4 4氦氖紅光雷射規格 36
表 5 1實驗設備及參數表 40

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