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系統識別號 U0002-2908201820005900
中文論文名稱 微米圓盤的雙重光子奈米噴流現象研究
英文論文名稱 The study of twin photonic nanojets in dielectric microdisk
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 葉孟儒
研究生英文姓名 Meng-Ju Yeh
學號 605350080
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-06
論文頁數 90頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-趙全鋐
委員-陳登豪
中文關鍵字 光子奈米噴流  雙光子奈米噴流  繞射極限 
英文關鍵字 Photonic nanojets  twin photonic nanojets  Diffraction limit 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文主要研究微米圓盤經由雙光束(雷射波長405 nm、532 nm、671 nm)照射下,產生的雙重光子奈米噴流現象。微米圓盤使用半導體微影製程和翻模技術來製作,其材料為聚二甲基矽氧烷。本實驗使用數值模擬和實驗量測來研究和證明在不同直徑的微米圓盤和不同雙光束夾角的情況下,光子奈米噴流的變化。在數值模擬方面,使用時域有限差分法來模擬不同直徑、不同雙光束夾角,在不同波長的雙光束(雷射波長405 nm、532 nm、671 nm)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,使用高靈敏度光學顯微系統來擷取雙重光子奈米噴流的影像,再以電腦程式分析實驗影像之數據,如噴流焦距、距離、半高全寬、能量強度等,並與數值模擬的模擬結果做交互比較。本研究中的雙重光子奈米噴流具對稱性,且會形成中間能量強度為零的間隔,這個間隔的特性可以讓我們透過不同參數的控制來觀測較複雜的外貌。
英文摘要 In this paper, the phenomenon of photonic nanojets generated by spherical microdisks while exposes under double beam wavelengths (405 nm, 532 nm, 671 nm) are investigated. Semiconductor manufacturing technologies and molding techniques are adopted to make the microdisks which composes of polydimethylsiloxane . Both numerical simulation and experimentation are presented to discuss the change of the nanojets under different double beam angles and different diameter of microdisks. In the numerical analysis, to simulate the intensity and distribution of photonic nanojets, three different parameters are taken into consideration, i.e. diameters of different microdisks, incident double beam angles, and laser wavelengths (405nm, 532nm, 671nm). In the experimental measurements, a highly sensitive optical microscope system is used to capture the images of the nanojets. A computer program is written to analyze the parameters of photonic nanojets, including focal length, distance, full width at half maximum , and intensity. The results of the simulation and experiment are then compared in this paper. The twin nanojets generated in this paper exhibits a symmetric characteristic and are separated by an intensity null. This intensity null can help us better observe complex external structures through controlling multiple variables.
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 8
第2章 理論分析 10
2.1 米氏散射理論 10
2.2 光子奈米噴流特徵 11
2.3 數值方法 12
第3章 光子奈米噴流模擬 18
3.1 模型建立 18
3.2 微米圓盤尺寸波長改變對光子奈米噴流影響 20
3.2.1直徑d =3 μm波長405 nm模擬圖 20
3.2.2直徑d =5 μm波長405 nm模擬圖 22
3.2.3直徑d =8 μm波長405 nm模擬圖 23
3.2.4直徑d =10 μm波長405 nm模擬圖 24
3.2.5直徑d =3 μm波長532 nm模擬圖 25
3.2.6直徑d =5μm波長532 nm模擬圖 26
3.2.7直徑d =8μm波長532 nm模擬圖 27
3.2.8直徑d =10μm波長532 nm模擬圖 28
3.2.9直徑d =3 μm波長671 nm模擬圖 29
3.2.10直徑d =5 μm波長671 nm模擬圖 30
3.2.11直徑d =8 μm波長671 nm模擬圖 31
3.2.12直徑d =10 μm波長671 nm模擬圖 32
3.2.13不同入射光波長、不同雙光束夾角與不同圓直徑的光子奈米噴流焦距關係 33
3.2.14不同入射光波長、不同雙光束夾角與不同圓直徑的雙光子奈米噴流距離關係 35
3.2.15不同入射光波長、不同雙光束夾角與不同圓直徑的光子奈米噴流能量關係 37
3.2.16不同入射光波長、不同雙光束夾角與不同圓直徑的光子奈米噴流的半高全寬 55
第4章 光子奈米噴流量測系統介紹 58
4.1 量測系統 58
4.2 光學顯微鏡 60
4.3 電荷耦合元件 62
4.4 物鏡 63
4.5 光源 64
4.6 三軸電控平台 66
4.7 分光鏡 67
4.8 反光鏡 68
第5章 實驗製程 69
5.1 實驗目的 69
5.2 實驗製程 70
5.2.1光罩設計 70
5.2.2試片製成步驟 74
5.2.2 PDMS微米圓盤成品 75
第6章 光子奈米噴流觀察 79
6.1 PDMS微米圓盤 79
6.2 光子奈米噴流之數據分析 81
6.2.1單位正規化 81
6.2.2數據分析 82
第7章 結論 85


圖目錄
圖1 1文獻使用的量測架構[26] 6
圖1 2 3 μm及5 μm微球的噴流現象[26] 6
圖1 3三種入射光照射在2 μm玻璃微球的噴流情形[29] 6
圖1 4兩道光源產生光子奈米噴流的示意圖[30] 7
圖1 5不同角度入射光通過介電質圓柱結構和圓球結構時產生的噴流型態[30] 7
圖1 6實驗架構圖 9
圖2 1光子奈米噴流結構示意圖 11
圖2 2FDTD單位網格電磁場配置 14
圖2 3磁場與電場隨時間的變化圖 15
圖3 1微米圓盤模擬的數值模型 18
圖3 2直徑d = 3 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 21
圖3 3直徑d =5 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 22
圖3 4直徑d =8 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 23
圖3 5直徑d =10 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 24
圖3 6直徑d =3 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 25
圖3 7直徑d =5 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 26
圖3 8直徑d =8 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 27
圖3 9直徑d =10 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 28
圖3 10直徑d =3 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 29
圖3 11直徑d =5 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 30
圖3 12直徑d =8 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 31
圖3 13直徑d = 10 μm的微米圓盤在不同雙光束夾角下的模擬圖 32
圖3 14波長405 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 33
圖3 15波長532 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 34
圖3 16波長671 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流焦距的關係 34
圖3 17波長405 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤時對雙光子奈米噴流距離的關係 35
圖3 18波長532 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤時對雙光子奈米噴流距離的關係 36
圖3 19波長671 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤時對雙光子奈米噴流距離的關係 36
圖3 20波長405 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流能量強度的關係 37
圖3 21波長532 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流能量強度的關係 38
圖3 22波長671 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流能量強度的關係 38
圖3 23波長405 nm以10度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 39
圖3 24波長405 nm以15度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 40
圖3 25波長405 nm以20度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 40
圖3 26波長405 nm以25度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 41
圖3 27波長405 nm以30度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 41
圖3 28波長405 nm以35度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 42
圖3 29波長405 nm以40度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 42
圖3 30波長405 nm以45度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 43
圖3 31波長405 nm以50度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 43
圖3 32波長405 nm以55度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 44
圖3 33波長532 nm以10度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 44
圖3 34波長532 nm以15度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 45
圖3 35波長532 nm以20度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 45
圖3 36波長532 nm以25度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 46
圖3 37波長532 nm以30度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 46
圖3 38波長532 nm以35度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 47
圖3 39波長532 nm以40度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 47
圖3 40波長532 nm以45度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 48
圖3 41波長532 nm以50度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 48
圖3 42波長532 nm以55度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 49
圖3 43波長671 nm以10度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 50
圖3 44波長671 nm以15度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 50
圖3 45波長671 nm以20度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 51
圖3 46波長671 nm以25度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 51
圖3 47波長671 nm以30度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 52
圖3 48波長671 nm以35度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 52
圖3 49波長671 nm以40度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 53
圖3 50波長671 nm以45度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 53
圖3 51波長671 nm以50度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 54
圖3 52波長671 nm以55度照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤對光子奈米噴流聚焦強度的關係 54
圖3 53波長405 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤半高全寬關係 55
圖3 54波長532 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤半高全寬關係 56
圖3 55波長671 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d = 3 μm、5 μm、8 μm、10 μm的微米圓盤半高全寬關係 57
圖4 1整體量測示意圖 58
圖4 2整體量測實際圖 59
圖4 3光學量測示意圖 59
圖4 4光學顯微鏡 60
圖4 5XYZ三軸電控平台 66
圖5 1實驗示意圖 69
圖5 2光罩設計圖 71
圖5 3光罩細部圖 72
圖5 4光罩實體圖 73
圖5 5製程步驟示意圖 74
圖5 6光阻塗佈轉速時間對應圖 75
圖5 7共軛焦顯微鏡 76
圖5 8直徑d = 3 μm微米圓盤 77
圖5 9直徑d = 5 μm微米圓盤 77
圖5 10直徑d = 8 μm微米圓盤 78
圖5 11直徑d = 10 μm微米圓盤 78
圖6 1波長532 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d =10 μm的微米圓盤中的最好噴流聚焦圖 80
圖6 2波長671 nm以不同雙光束夾角照射在直徑d =10 μm的微米圓盤中的最好噴流聚焦圖 80
圖6 30.01mm標準試片 81
圖6 4電腦程式分析0.01標準試片數據 81
圖6 5不同波長與不同雙光束夾角照射在直徑d = 10 μm的微米圓盤對光子奈米的模擬與實驗數據的焦距比對圖 82
圖6 6不同波長與不同雙光束夾角照射在直徑d = 10 μm的微米圓盤對光子奈米的模擬與實驗數據的雙光子奈米噴流距離比對圖 83
圖6 7不同波長與不同雙光束夾角照射在直徑d = 10 μm的微米圓盤對光子奈米的模擬與實驗數據的能量強度比對圖 83
圖6 8不同波長與不同雙光束夾角照射在直徑d = 10 μm的微米圓盤對光子奈米的模擬與實驗數據的半高全寬關係比對圖 84

表目錄
表2 1各個符號及物理意義及單位 13
表3 1數值模擬建模參數表 19
表4 1光學顯微鏡各代號名稱 61
表4 2CCD規格及優點 62
表4 3物鏡規格表 63
表4 4藍光雷射規格 64
表4 5綠光雷射規格 65
表4 6紅光雷射規格 65
表4 7分光鏡規格 67
表4 8反光鏡規格 68
表5 1 PDMS製程數據 76

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