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系統識別號 U0002-2407201813581100
中文論文名稱 光固化珠體形成於蜘蛛絲表面的光子奈米噴流
英文論文名稱 Photonic nanojets of photocurable beads formation on the surface of spider silk
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 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 黃子桓
研究生英文姓名 Zih-Huan Huang
學號 605350098
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-04
論文頁數 89頁
口試委員 指導教授-林清彬
委員-廖文毅
委員-劉承揚
中文關鍵字 光子奈米噴流  蜘蛛絲  紡錘體  繞射極限 
英文關鍵字 Photonic nanojets  Spider silk  Spindle  Diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文主要研究蜘蛛絲上光固化珠體(即紡錘體),經由三種雷射波長(405 nm、532 nm、671 nm)照射下,產生的光子奈米噴流現象。本研究使用蜘蛛絲的自然性質和紫外光固化劑來製作紡錘體,其材料為紫外光固化劑、家幽靈蜘蛛絲。本論文使用數值模擬和實驗量測來研究和證明紡錘體在不同入射波長和不同尺寸的情況下,光子奈米噴流的變化。在數值模擬方面,本論文使用時域有限差分法來模擬不同尺寸,在不同波長雷射的照射下,產生的光場分佈及能量強度的情況。在實驗量測方面,本論文使用高靈敏度光學顯微系統來擷取實驗噴流影像,再以電腦程式分析實驗影像之數據,如噴流的焦距、衰減長度、半高全寬、能量強度等,並與數值模擬的參數做交互比較。本論文發現光子奈米噴流的性質會隨者紡錘體的曲率大小作正比的變化,此研究結果可幫助未來能夠找到更加完美的光子奈米噴流來觀察奈米級的物體。
英文摘要 In this study, the phenomenon of photonic nanojets generated by exposing the spindle-knots of spider silk with three incident wavelengths (405 nm, 532 nm, 671 nm) are investigated. UV curing and silk of longbodied cellar spider (Pholcus phalangioides) were used in this study to create the spindle. Finite-difference time-domain (FDTD) method was adopted to simulate the distribution of light field and energy intensity under exposure of different wavelengths and dimensions. A highly sensitive optical microscopy system was used to capture experimental jet images, and the nanojet parameters (focal length of the jet, attenuation length, full width at half maximum, energy intensity) were analyzed. These nanojet parameters are compared with simulation results interactively. Our results shows that the behavior of photonic nanojets varied directly to the curvature of the spindle. Spider silk may aid in finding optimal photonic nanojets for examining nano-scaled objects in future.
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 5
1.3 研究目的與架構 12
第2章 理論分析 14
2.1 米氏散射理論 14
2.2 奈米光子噴流特徵 16
2.3 數值方法 18
第3章 實驗製程 25
3.1 實驗目的 25
3.2 實驗器材 27
3.2.1 蜘蛛絲 27
3.2.2 UV Coating 28
3.2.3 簡易抽絲機 30
3.2.4 蜘蛛絲放置器 31
3.2.5 曝光機 32
3.2.6 光學量測系統 32
3.3 實驗步驟 33
3.3.1前置實驗 33
3.3.2主要實驗 35
第4章 奈米光子噴流量測系統介紹 40
4.1 系統架構 40
4.2 光學顯微鏡 41
4.3 電荷耦合元件 44
4.4 物鏡 46
4.5 光源 48
4.6 三軸電控平台 51
第5章 數值模擬 52
5.1 模型建立 52
5.2 光子奈米噴流的數值模擬 54
5.2.1改變紡錘體的穿透厚度(D)對光子奈米噴流的影響 54
5.2.2紡錘體能量分佈圖 54
5.3 數值分析 65
5.3.1 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流焦距的關係 65
5.3.2 不同穿透厚度(D) 對半高全寬的關係 66
5.3.3 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流衰減長度關係 68
5.3.4 不同穿透厚度(D) 對光子奈米噴流強度關係 69
第6章 光學量測結果 74
6.1 紡錘體的量測圖 74
6.2 光子奈米噴流之參數分析 77
6.2.1 單位正規化 77
6.2.2 紡錘體之參數分析-焦距 78
6.2.3 紡錘體之參數分析-半高全寬 78
6.2.4 紡錘體之參數分析-衰減長度 79
6.2.5 紡錘體之參數分析-噴流強度 80
第7章 結論 82
參考文獻 84

圖目錄
圖 1 1 3μm乳膠微球的光子奈米噴流現象[23] 7
圖 1 2三種不同入射光照射在2μm玻璃微球的噴流情形[26] 8
圖 1 3多種形狀微米結構的光子奈米噴流現象[30] 9
圖 1 4製造SCON-SNIS的過程[31] 10
圖 1 5 蜘蛛絲集水結構及集水過程[32] 11
圖 2 1 米氏理論示意圖 15
圖 2 2 光子奈米噴流示意圖 17
圖 2 3 FDTD單位網格電磁場配置 20
圖 2 4 電場和磁場隨時間變化交替圖 21
圖 3 1 實驗流程圖 26
圖 3 2 家幽靈蜘蛛 27
圖 3 3 實驗流程圖 30
圖 3 4簡易抽絲機 31
圖 3 5蜘蛛絲放置器(30cmX20cmX10cm) 31
圖 3 6 曝光機 32
圖 3 7光學量測系統 33
圖 3 8 蜘蛛絲進行光學量測(532nm綠光) 34
圖 3 9 簡易抽絲器示意圖 36
圖 3 10 取絲示意圖 37
圖 3 11 實驗示意圖 37
圖 3 12 實驗示意圖 37
圖 3 13 曝光示意圖 38
圖 3 14待測物完成示意圖 38
圖 3 15由共厄焦顯微鏡(LEXT OLS4100)拍攝的紡錘體照片 39
圖 4 1實驗整體系統圖 40
圖 4 2光學顯微鏡示意圖 42
圖 4 3 XYZ三軸電控平台 51
圖 5 1光子噴流示意圖 52
圖 5 2數值模擬圖,參數為671nm的紅光雷射及穿透厚度(D)為3μm 55
圖 5 3厚度3μm的紡錘體能量分佈圖 56
圖 5 4厚度4μm的紡錘體能量分佈圖 57
圖 5 5厚度5μm的紡錘體能量分佈圖 58
圖 5 6厚度6μm的紡錘體能量分佈圖 59
圖 5 7厚度7μm的紡錘體能量分佈圖 60
圖 5 8厚度8μm的紡錘體能量分佈圖 61
圖 5 9厚度9μm的紡錘體能量分佈圖 62
圖 5 10厚度10μm的紡錘體能量分佈圖 63
圖 5 11厚度15μm的紡錘體能量分佈圖 64
圖 5 12 (a)不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流焦距(F)關係圖和(b)不同穿透厚度(D)對曲率半徑(R)的關係圖 66
圖 5 13 不同穿透厚度(D)對半高全寬(FWHM)關係圖和不同穿透厚度(D)對曲率半徑(R)的關係圖 67
圖 5 14 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流衰減長度(L)關係圖和不同穿透厚度(D)對曲率半徑(R)的關係圖 69
圖 5 15 671nm的紅光對穿透厚度D=3μm、5μm、8μm、10μm的紡錘體的光子奈米噴流強度關係圖 70
圖 5 16 532nm的綠光對穿透厚度D=3μm、5μm、8μm、10μm的紡錘體的光子奈米噴流強度關係圖 71
圖 5 17 405nm的藍光對穿透厚度D=3μm、5μm、8μm、10μm的紡錘體的光子奈米噴流強度關係圖 72
圖 5 18為671nm的紅光、532nm的綠光和405nm的藍光對穿透厚度D=3μm、5μm、8μm、10μm的紡錘體的噴流強度變化關係圖 73
圖 6 1 0.01mm標準片 77
圖 6 2電腦程式分析0.01mm標準片數據 77
圖 6 3為不同穿透厚度(D)與焦距(F)關係圖 78
圖 6 4不同穿透厚度(D)對半高全寬(FWHM)關係圖 79
圖 6 5不同穿透厚度(D)與衰減長度(L)關係圖 80
圖 6 6不同穿透厚度(D)與噴流強度關係圖 81
表目錄
表 3 1蜘蛛絲進行光學量測實驗的結果 35
表 4 1光學顯微鏡各部份的名稱 43
表 4 2 CCD攝影機之規格 45
表 4 3物鏡規格比較表 47
表 4 4紅光雷射規格 49
表 4 5綠光雷射規格 49
表 4 6藍光雷射規格 50
表 5 1數值模擬參數 53
表 6 1 光固化溶液的紡錘體 75

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