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系統識別號 U0002-2309201911361400
中文論文名稱 應用光子噴流實現脈衝雷射微米鑽孔
英文論文名稱 To achieve pulsed laser micro-drilling application of photonic jet
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 107
學期 2
出版年 108
研究生中文姓名 魏皓得
研究生英文姓名 Hao-De Wei
學號 606350212
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2019-06-27
論文頁數 89頁
口試委員 指導教授-陳冠辰
共同指導教授-劉承揚
委員-劉昭華
委員-李泉
中文關鍵字 光子噴流彎曲  繞射極限 
英文關鍵字 curved photonic jet  diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文主要研究光子噴流彎曲現象、光學特性與量測,為了使光子噴流彎曲,使用染色光纖來改變雷射的入光量,分別採用160 μm、20 μm微米球,然後再使用三種波長的雷射光(405 nm、532 nm、671 nm)對微米球進行照射,此時會在微米球表面外產生光子噴流,隨著染色光纖位移影響光子噴流彎曲。本論文的主要內容為模擬計算與實驗驗證,在模擬計算中,使用了時域有限差分法,來模擬不同直徑的微米球,在不同入射光波的照射下產生光子噴流,的能量變化與彎曲程度。在實驗驗證方面,本論文架設一套完整的光學量測系統,來測量微米彎型噴流的光學特性,並使用光學量測程式對量測影像進行半高全寬和聚焦能量強度的分析。透過模擬與實驗的互相驗證比較,本論文發現遮擋雷射光進入微米球,可以改變光子噴流特性,並且遮擋量的不同會使光子噴流也會隨之改變。
英文摘要 In this letter, the study demonstrated a curved photonic jet. In order to make the photonic jet bend, the dyed fiber is used to change the amount of light entering.The 160 μm and 20 μm microsphere are irradiated by laser light sources with different wavelenghts(405 nm,532 nm,671 nm).Then, the photonic jets can be generated on the microsphere surface, and curve along with the dyed fiber. The finite difference time domain method (FDTD) is used for simulation. The characteristics of curved photonic jets are simulated by FDTD with different microspheres and incident wavelengths. The optical properties of curved photonic jet are measured by optical measurement system. The intensity and full width at half maximum of measured images are analyzed by computer programs. Comparing simulation with experiment results, the properties of curved photonic jet can be change by dyed fiber.
論文目次 目錄
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 光子噴流特徵 12
2.3 數值方法 13
第3章 光子噴流模擬 19
3.1 模型建立 19
3.2 微米球尺寸及光纖遮擋對光子噴流影響 21
3.2.1 20 μm微米圓球模擬結果 21
3.2.2 160 μm微米圓球模擬結果 23
3.2.3 20 μm微米圓球模擬結果 25
3.2.4 160 μm微米圓球模擬結果 27
3.2.5 20 μm微米圓球模擬結果 29
3.2.6 160 μm微米圓球模擬結果 31
3.2.7 不同波長不同遮擋距離對光子噴流半高全寬關係 33
3.2.8 不同波長不同遮擋距離對光子噴流強度影響關係 35
3.2.9 不同波長不同遮擋距離對光子噴流角度變化關係 37
3.2.10 不同入射波長對20 µm光子噴流強度關係 39
3.2.11 不同入射波長對160 µm光子噴流強度關係 41
3.2.12 不同光纖位移量對20 µm光子噴流強度關係 44
3.2.13 不同光纖位移量對160 µm光子噴流強度關係 47
第4章 光子彎型噴流系統介紹 49
4.1 量測系統 49
4.2 光學顯微鏡 51
4.3 電荷耦合元件 53
4.4 物鏡 54
4.5 光源 55
4.6 三軸電控平台 57
第5章 光子噴流觀察結果 58
5.1.1 20 μm微米球實驗結果 58
5.1.2 160 μm微米圓球實驗結果 60
5.1.3 20 μm微米球實驗結果 62
5.1.4 160 μm微米球實驗結果 64
5.1.5 20 μm微米球實驗結果 66
5.1.6 160 μm微米球實驗結果 68
5.2 光子噴流半高全寬數據分析 70
5.2.1 單位正規化 70
5.2.2 不同波長不同遮擋距離對光子噴流半高全寬關係 71
5.2.3 不同波長不同遮擋距離對光子噴流強度影響關係 73
5.2.4 不同波長不同遮擋距離對光子噴流角度變化關係 75
5.2.5 不同入射波長對20 µm光子噴流強度關係 77
5.2.6 不同入射波長對160 µm光子噴流強度關係 79
5.2.7 不同光纖位移量對20 µm光子噴流強度關係 81
5.2.1 不同光纖位移量對160 µm光子噴流強度關係 83
第6章 結論 85
6.1 結論 85

圖目錄
圖1 1文獻使用的量測架構[25] 5
圖 1 2三種入射光照射在2μm玻璃微球的噴流情形[28] 6
圖 1 3彎型噴流模擬分析圖[29] 7
圖 1 4七種稜鏡角度模擬分析圖[30] 8
圖 1 5實驗架構圖 10
圖 2 1光子噴流結構示意圖 12
圖 2 2 FDTD單位網格電磁場配置 15
圖 2 3磁場與電場隨時間的變化圖 16
圖 3 1微米球拋物線型噴流的數值模型 19
圖 3 2 紅光671 nm照射下光纖移動不同距離遮擋模擬圖 22
圖 3 3 紅光671 nm照射下光纖移動不同距離遮擋模擬圖 24
圖 3 4 綠光532 nm照射下光纖移動不同距離遮擋模擬圖 26
圖 3 5 綠光532 nm照射下光纖移動不同距離遮擋模擬圖 28
圖 3 6 藍光405 nm照射下光纖移動不同距離遮擋模擬圖 30
圖 3 7 藍光405 nm照射下光纖移動不同距離遮擋模擬圖 32
圖 3 8 d=20 µm微米球不同波長不同遮擋距離對半高全寬影響關係 33
圖 3 9 d=160 µm微米球不同波長不同遮擋距離對半高全寬影響關係 34
圖 3 10 d = 20 µm微米球不同波長不同遮擋距離對噴流強度影響關係 35
圖 3 11 d = 160 µm微米球不同波長不同遮擋距離對噴流強度影響關係 36
圖 3 12 d = 20 µm微米球不同波長不同遮擋距離對噴流角度變化關係 37
圖 3 13 d = 160 µm微米球不同波長不同遮擋距離對噴流角度變化關係 38
圖 3 14 d = 20 µm微米球405 nm藍光對光子噴流強度關係 39
圖 3 15 d = 20 µm微米球532 nm綠光對光子噴流強度關係 40
圖 3 16 d=20 µm微米球671 nm紅光對光子噴流強度關係 40
圖 3 17光子噴流在X軸能量焦點 41
圖 3 18 d = 160 µm微米球405 nm藍光對光子噴流強度關係 42
圖 3 19 d = 160 µm微米球532 nm綠光對光子噴流強度關係 42
圖 3 20 d = 160 µm微米球671 nm紅光對光子噴流強度關係 43
圖 3 21 光子噴流聚焦位置示意圖 44
圖 3 22 d = 20 µm微米球在藍光405 nm照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 45
圖 3 23 d = 20 µm微米球在綠光532 nm照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 45
圖 3 24 d = 20 µm微米球在紅光671 nm照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 46
圖 3 25 d = 160 µm微米球在藍光405 nm照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 47
圖 3 26 d = 160 µm微米球在藍光532 nm照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 48
圖 3 27 d = 160 µm微米球在紅光671 nm照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 48
圖 4 1整體系統圖 49
圖 4 2光子噴流示意圖 50
圖 4 3光學顯微鏡 51
圖 4 4XYZ三軸電控平台 57
圖 5 1紅光671 nm照射下光纖移動不同距離遮擋實驗圖 59
圖 5 2 紅光671 nm照射下光纖移動不同距離遮擋實驗圖 61
圖 5 3綠光532 nm照射下光纖移動不同距離遮擋實驗圖 63
圖 5 4綠光532 nm照射下光纖移動不同距離遮擋實驗圖 65
圖 5 5藍光405 nm照射下光纖移動不同距離遮擋實驗圖 67
圖 5 6藍光405 nm照射下光纖移動不同距離遮擋模擬圖 69
圖 5 7 0.01mm 標準試片 70
圖 5 8 電腦程式分析0.01 mm 標準試片據 70
圖 5 9 d=20 µm微米球不同波長不同遮擋距離對半高全寬影響關係 71
圖 5 10 d=160 µm微米球不同波長不同遮擋距離對半高全寬影響關係 72
圖 5 11 d = 20 µm微米球不同波長不同遮擋距離對噴流強度影響關係 73
圖 5 12 d = 160 µm微米球不同波長不同遮擋距離對噴流強度影響關係 74
圖 5 13 d = 20 µm微米球不同波長不同遮擋距離對噴流角度變化關係 75
圖 5 14 d = 160 µm微米球不同波長不同遮擋距離對噴流角度變化關係 76
圖 5 15 d = 20 µm微米球405 nm藍光對光子噴流強度關係 77
圖 5 16 d = 20 µm微米球532 nm綠光對光子噴流強度關係 78
圖 5 17 d = 20 µm微米球671 nm紅光對光子噴流強度關係 78
圖 5 18 d = 160 µm微米球405 nm藍光對光子噴流強度關係 79
圖 5 19 d = 160 µm微米球532 nm綠光對光子噴流強度關係 80
圖 5 20 d = 160 µm微米球671 nm紅光對光子噴流強度關係 80
圖 5 21 d d = 20 µm微米球在藍光405 nm照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 81
圖 5 22 d = 20 µm微米球在532 nm綠光照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 82
圖 5 23 d = 20 µm微米球在671 nm紅光照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 82
圖 5 24 d = 160 µm微米球在藍光405 nm照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 83
圖 5 25 d = 160 µm微米球在532 nm綠光照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 84
圖 5 26 d = 160 µm微米球在671 nm紅光照射下,使用光纖位移對光子噴流強度關係 84


表目錄
表 2 1個符號及物理意義及單位 14
表 3 1數值模擬建模參數表 20
表 4 1光學顯微鏡各代號名稱 52
表 4 2CCD規格及優點 53
表 4 3物鏡規格表 54
表 4 4藍光雷射規格 55
表 4 5綠光雷射規格 56
表 4 6紅光雷射規格 56

參考文獻 [1] J.-P. Berenger, “A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves”, Journal of Computational Physics, vol. 114, no. 2, pp. 185-200, 1994
[2] 丁志明, “奈米科技:基礎應用與實作”高立出版集團, 台灣, 2015
[3] 馬遠榮, “奈米科技”, 商周出版, 台灣, 2002
[4] 龔建華, “你不可不知的奈米科技”, 世茂出版社, 台灣, 2002
[5] Kawai Tomoji, “奈米科技”, 工業技術研究院,台灣,2002
[6] 尹邦躍, 張勁燕, “奈米時代”, 五南圖書出版公司, 台灣, 2002
[7] 黃楓台, “奈米與微機電”, 國家科學委員會科學技術資料中心, 台灣, 2002
[8] 張喜寧及夏鎮洋, 穿透式及掃描式電子顯微鏡生物技術, 國立編譯館, 台灣, 1979
[9] 管傑雄, 孫啟光, “奈米光電”, 經濟部工業局, 台灣, 2002
[10] 高宗聖, 蔡定平, “近場光學新視界”, 科學發展, vol. 386, pp. 22-27, 2005
[11] J. A. O'keefe, “Resolving power of visible light”, Journal of the Optical Society of America, vol. 46, no. 5, pp. 359, 1956.
[12] P. Grabiec, T. Gotszalk, J. Radojewski, “SNOM/AFM microprobe integrated with piezoresistive cantilever beam for multifunctional surface analysis”, Microelectronic engineering, vol. 61, pp. 981-986, 2002.
[13] 施至柔, "奈米世界的探索者-近場光學顯微鏡", 國家實驗研究院儀科中心簡訊121期, 台灣, 2014
[14] E. Hecht, “Optics Addison Wesley”, San Francisco, 2002
[15] E. Betzig, A. Harootunian, and A. Lewis , “Near-field diffraction by a slit: implications for superresolution microscopy”, Applied Optics, vol. 25, no. 12, pp. 1890-1900, 1986
[16] E. Betzig and J. K. Trautman, “Near-field optics: microscopy, spectroscopy, and surface modification beyond the diffraction limit”, Science, vol. 257, no. 5067, pp. 189-195, 1992
[17] R. C. Dunn, “Near-field scanning optical microscopy”, Chemical reviews, vol. 99, no. 10, pp. 2891-2928, 1999
[18] A. Lewis, M. Isaacson, and A. Harootunian, “Development of a 500 Å spatial resolution light microscope: I. light is efficiently transmitted through λ/16 diameter apertures”, Ultramicroscopy, vol. 13, no. 3, pp. 227-231, 1984
[19] X. Li, Z. Chen, A. Taflove , “Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets”, Optical Express, vol.13, no. 2, pp. 526-533, 2005.
[20] C. Hulst and H. C. van de Hulst, ”Light scattering: by small particles: Courier Dover Publications”, 1957.
[21] G. Mie, “Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen”, Annalen der physic, vol. 330, no. 3, pp. 377-445, 1908.
[22] Z. Chen, A. Taflove, and V. Backman, “Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique”, Optics Express, vol. 12, no. 7, pp. 1214-1220, 2004.
[23] A. Itagi and W. Challener, “Optics of photonic nanojets”, Journal of the Optical Society of America A, vol. 22, no. 12, pp. 2847-2858, 2005
[24] A. Heifetz, K. Huang, A. V. Sahakian, “Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet”, Applied physics letters, vol. 89, no. 22, 2006
[25] P. Ferrand, J. Wenger, and A. Devilez, “Direct imaging of photonic nanojets”, Optics Express, vol. 16, no. 10, pp. 6930-6940, 2008
[26] Yu. E. Geints, E. K. Panina,A. A. Zemlyanov,“Control over parameters of photonic nanojets of dielectric microspheres”, Opt. Commun., Vol. 283, 4775-4781, 2010
[27] Cesar Mendez Ruiz, Jamesina J. Simpson,“Detection of embedded ultra-subwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets”, Optics express, vol. 18,no. 16,pp.16805-16812, 2010
[28] M. S. Kim, T. Scharf , S. Mühlig, C. Rockstuhl, and H. P Herzig, “Engineering photonic nanojets”, Optics express, vol. 19, no. 11, pp. 10206-10220, 2011
[29] G. A. Siviloglou,J. Broky, A. Dogariu, and D. N. Christodoulides“Observation of Accelerating Airy Beams” College of Optics/CREOL, University of Central Florida, Orlando, Florida 32816, USA,2007
[30] Liyang Yue, “Photonic hook: a new curved light beam” Bangor University, Dean Street, Bangor, Gwynedd, LL57 1UT,Doc. ID 308158,2018
[31] S. Yang, A. Taflove, and V. Backman, “Experimental confirmation at visible light wavelengths of the backscattering enhancement phenomenon of the photonic nanojet” , Optics Express vol. 19, no 8, pp. 7084-7093, 2011
[32] D. McCloskey, J. J. Wang, and J.F. Donegan, “Low divergence photonic nanojets from Si3N4 microdisks”, Optics Express, vol. 20, no. 1, pp. 129-140, 2012
[33] C. F. Bohren and D. R. Huffman, “Absorption and Scattering of Light by Small Particles”, John Wiley & Sons, American, 1998
[34] Z..Hengyu, et al, “Photonic jet with ultralong working distance by hemispheric shell. ” Optics express, vol. 23, no. 5, pp. 6626-6633, 2015
[35] McCloskey, D. Ballantine, K. E. Eastham, P. R.,& Donegan, J. F.“Photonic nanojets in Fresnel zone scattering from non-spherical dielectric particles.”Optics express,23(20),26326-26335, 2015
[36] Yu. E. Geints and A. A. Zemlyanov, “Modeling spatially localized photonic nanojets from phase diffraction gratings”,Journal Of Applied Physcis 119, 153101, 2016
[37] 葉玉堂, 肖峻, 饒建珍, “光學教程”, 清華大學出版社, 2011
[38] K. Yee, “Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media”, IEEE Transactions, Antennas and Propagation, vol. 14, no. 3, pp. 302-307, 1966
[39] J. Berenger, ”A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves”, Journal of computational physics, vol. 114, no. 2, pp. 185-200, 1994.
[40] 王怡喬, “以有限差分時域(FDTD)法模擬一維金屬與介電曾光子晶體之電磁波傳輸”, 國立清華大學物理學系碩士班學位論文, 2003
[41] 林振華, ”電磁場與天線分析:使用時域有限差分法(FDTD)”, 全華科技圖書股份有限公司, 台灣, 1999。
[42] 陳建榕, “光子噴流現象於單顆微米介電圓盤之研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-115), 2014
[43] 蕭凱隆, “多層核殼微米圓盤的光子噴流現象研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-131), 2015
[44] 羅偉傑, “核殼微米光纖探針之設計,製造與量測”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-126), 2016
[45] 王益宏, “穿透式與反射式介電微米方柱之奈米光子噴流現象研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-119), 2016
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