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。

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.

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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[23]	葉玉堂、肖峻、饒建珍, 光學教程(第二版), 2011年9月.
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[28]	章效鋒, 清晰的奈米世界 五南圖書出版股份有限公司, 2006.