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System No. U0002-0708201621151700
Title (in Chinese) 核殼微米光纖探針之設計、製造與光學量測
Title (in English) The design, manufacture and optical measurement of core-shell micro-fiber probe
Other Title
Institution 淡江大學
Department (in Chinese) 機械與機電工程學系碩士班
Department (in English) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
Other Division
Other Division Name
Other Department/Institution
Academic Year 104
Semester 2
PublicationYear 105
Author's name (in Chinese) 羅偉傑
Author's name(in English) Wei-Jie Luo
Student ID 603370148
Degree 碩士
Language Traditional Chinese
Other Language
Date of Oral Defense 2016-07-09
Pagination 126page
Committee Member advisor - Cheng-Yang Liu
co-chair - 林清彬
co-chair - 張天立
Keyword (inChinese) 奈米噴流
核殼光纖
繞射極限
Keyword (in English) photonic nanojet
core-shell micro-fiber
diffraction limit
Other Keywords
Subject
Abstract (in Chinese)
本論文主要研究核殼微米光纖探針的設計製造與光學特性量測,首先製造出三種金屬薄殼(銅、銀、金)的微米光纖,然後再使用白光和三種波長的雷射光(405 nm、532 nm、671 nm)對光纖進行照射,此時會在光纖的表面產生光子奈米噴流。本論文的主要內容為模擬計算與實驗驗證,在模擬計算部分,使用時域有限差分法和光軌跡法,前者用來模擬不同核殼與直徑的光纖,在不同入射光波的照射下產生光子奈米噴流的能量變化與特性,後者則是計算入射光波在核殼微米光纖中行進的路徑軌跡。在光纖的製造部分,先使用化學製程對光纖進行蝕刻而達到所需的直徑,再利用真空濺鍍機將金屬材料濺鍍在光纖表面上形成金屬薄殼。在實驗驗證方面,本論文成功架設一套完整的光學量測系統來量測核殼微米光纖的光學特性,並撰寫電腦程式對量測影像進行半高全寬和聚焦能量強度的分析。經由模擬與實驗的相互驗證比較,本論文發現不同的金屬薄殼可以改變光子奈米噴流特性,並且利用光子奈米噴流的原理,進而量測出奈米級光柵的表面形狀。
Abstract (in English)
The design, manufacture and optical properties of core-shell micro-fiber are studied.The core-shell micro-fibers with copper, silver, and gold coating are produced.The micro-fibers are irradiated by white light and laser light sources with different wavelengths (405nm, 532nm, and 671nm).Then, the photonic nanojets can be generated on the micro-fiber surface.The finite difference time domain method (FDTD) and ray tracing method are used for simulation.The characteristics of photonic nanojets are simulated by FDTD with different shells and incident wavelengths.The propagation of light beam in the core-shell micro-fibers is calculated by ray tracing.The diameter of micro-fiber is reduced by chemical etching.The metal shells are sputtered on the micro-fiber surfaces by sputtering.The optical properties of core-shell micro-fiber 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 experimental results, the properties of photonic nanojets can be changed by different metal shells.The surface profiles of nano-grating are measured by using photonic nanojets.
Other Abstract
Table of Content (with Page Number)
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	11
2.2 數值方法	12
2.3 金屬表面電漿共振	18
第3章 數值模擬	19
3.1 模型建立	19
3.2 時域有限差分法模擬分析	21
3.2.1 不同直徑光纖能量分佈圖	21
3.2.2 不同薄殼材料與奈米噴流半高全寬關係	25
3.2.3 不同薄殼材料與奈米噴流強度關係	28
3.3 光軌跡模擬分析	36
3.3.1 不同直徑光纖光軌跡圖	36
3.3.2 無殼與金殼光纖光軌跡3D視圖	40
3.4 時域有限差分法模擬與光軌跡模擬的圖像比較	41
3.4.1 無殼光纖的模擬比較	41
3.4.2 金殼光纖的模擬比較	42
第4章 實驗製程	44
4.1 實驗架構	44
4.2 實驗材料	47
4.3 化學蝕刻	48
4.3.1 真空濺鍍	50
4.3.2 金屬核殼觀測	52
4.3.3 光柵量測	55
第5章 光學量測系統介紹	57
5.1 量測系統	57
5.2 光學顯微鏡	58
5.3 電荷耦合元件	60
5.4 物鏡	62
5.5 光源	63
5.6 三軸電控平台	65
第6章 奈米噴流量測結果與數據	66
6.1 無殼光纖實驗圖	67
6.2 銅殼光纖實驗圖	72
6.3 銀殼光纖實驗圖	77
6.4 金殼光纖實驗圖	82
6.5 光子奈米噴流之半高全寬數據分析	87
6.5.1 單位換算	87
6.5.2 無殼光纖之噴流半高全寬分析	88
6.5.3 銅殼光纖之噴流半高全寬分析	90
6.5.4 銀殼光纖之噴流半高全寬分析	92
6.5.5 金殼光纖之噴流半高全寬分析	94
6.6 光子奈米之噴流聚焦強度分析	96
6.6.1 直徑6 μm光纖之噴流聚焦強度	96
6.6.2 直徑8 μm光纖之噴流聚焦強度	98
6.6.3 直徑10 μm光纖之噴流聚焦強度	100
6.6.4 直徑12 μm光纖之噴流聚焦強度	102
6.7 白光之奈米噴流半高全寬與焦聚強度分析	104
6.7.1 白光之噴流半高全寬數據分析	104
6.7.2 白光之噴流聚焦強度分析比較	106
第7章 光柵表面結構量測	109
7.1 無殼光纖之光柵量測圖	111
7.2 銅殼光纖之光柵量測圖	112
7.3 銀殼光纖之光柵量測圖	113
7.4 金殼光纖之光柵量測圖	114
7.5 光柵條紋放大曲線圖	115
7.6 光柵條紋數據分析	118
第8章 結論與未來展望	120
8.1 結論	120
8.2 未來展望	121
參考文獻	122

 
圖片目錄

圖 1 1文獻使用之實驗架構[26]。	5
圖 1 2文獻實驗之結果在光學顯微鏡下量測圖[26]。	6
圖 1 3量測示意圖[29]。	6
圖 1 4 (a)光學顯微鏡下圖像; (b)純水;(c)濃度40%糖溶液; (d)油[29]。	7
圖 1 5利用半圓球結構以及光纖取代微米球進行量測示意圖[32]。	8
圖 1 6 (a)SEM拍攝表面結構;(b)光學顯微鏡下透過光纖拍攝表面結構[32]。	8
圖 1 7論文架構圖。	10
圖 2 1 FDTD單位網格電磁場配置圖。	14
圖 2 2電場與磁場隨時間變化圖。	14
圖 3 1核殼光纖模擬數值模型。	19
圖 3 2直徑6 μm能量分佈圖。	21
圖 3 3直徑8 μm能量分佈圖。	22
圖 3 4直徑10 μm能量分佈圖。	23
圖 3 5直徑12 μm能量分佈圖。	24
圖 3 6直徑6 μm奈米噴流半高全寬對波長的關係。	25
圖 3 7直徑8 μm奈米噴流半高全寬對波長的關係。	26
圖 3 8直徑10 μm奈米噴流半高全寬對波長的關係。	26
圖 3 9直徑12 μm奈米噴流半高全寬對波長的關係。	27
圖 3 10直徑6 μm,405 nm藍光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	28
圖 3 11直徑6 μm,532 nm綠光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	29
圖 3 12直徑6 μm,671 nm紅光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	29
圖 3 13直徑8 μm,405 nm藍光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	30
圖 3 14直徑8 μm,532 nm綠光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	31
圖 3 15直徑8 μm,671 nm紅光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	31
圖 3 16直徑10 μm,405 nm藍光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	32
圖 3 17直徑10 μm,532 nm綠光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	33
圖 3 18直徑10 μm,671 nm紅光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	33
圖 3 19直徑12 μm,405 nm藍光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	34
圖 3 20直徑12 μm,532 nm綠光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	35
圖 3 21直徑12 μm,671 nm紅光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	35
圖 3 22直徑6 μm光軌跡圖。無殼:(a) 405 nm、(b) 532 nm、(c) 671 nm。	36
圖 3 23直徑8 μm光軌跡圖。無殼:(a) 405 nm、(b) 532 nm、(c) 671 nm。	37
圖 3 24直徑10 μm光軌跡圖。無殼:(a) 405 nm、(b) 532 nm、(c) 671 nm。	38
圖 3 25直徑12 μm光軌跡圖。無殼:(a) 405 nm、(b) 532 nm、(c) 671 nm。	39
圖 3 26無殼光纖直徑6 μm在405 nm藍光下的光軌跡3D視圖。	40
圖 3 27金殼光纖直徑6 μm在405 nm藍光下的光軌跡3D視圖。	40
圖 3 28無殼光纖直徑6 μm在405 nm藍光下的模擬圖比較。	41
圖 3 29無殼光纖直徑8 μm在405 nm藍光下的模擬圖比較。	41
圖 3 30無殼光纖直徑10 μm在405 nm藍光下的模擬圖比較。	42
圖 3 31無殼光纖直徑12 μm在405 nm藍光下的模擬圖比較。	42
圖 3 32金殼光纖直徑6 μm在405 nm藍光下的模擬圖比較。	42
圖 3 33金殼光纖直徑8 μm在405 nm藍光下的模擬圖比較。	43
圖 3 34金殼光纖直徑10 μm在405 nm藍光下的模擬圖比較。	43
圖 3 35金殼光纖直徑12 μm在405 nm藍光下的模擬圖比較。	43
圖 4 1實驗量測示意圖。	44
圖 4 2下光源光纖量測示意圖。	45
圖 4 3光柵量測示意圖。	45
圖 4 4實驗量測實際圖,此圖為532 nm綠光雷射從下方照射光纖。	46
圖 4 5實驗量測實際圖,此圖為白光從下方照射光纖。	46
圖 4 6光柵實際圖,型號為GR25-1850。	47
圖 4 7化學蝕刻示意圖。	48
圖 4 8化學蝕刻架構實際圖。	49
圖 4 9真空濺鍍機。	50
圖 4 10真空鍍金機。	51
圖 4 11聚焦離子束與電子束顯微系統FIB。	52
圖 4 12金薄殼光纖剖面圖。	53
圖 4 13金薄殼光纖局部剖面圖。	53
圖 4 14金薄殼光纖表面挖洞圖。	54
圖 4 15金薄殼光纖洞口截面圖。	54
圖 4 16共軛焦顯微鏡。	55
圖 4 17共軛焦顯微鏡雷射掃描光柵表面圖:物鏡倍率100 x,變焦2 x。	56
圖 4 18共軛焦顯微鏡雷射掃描光柵表面3D視圖。	56
圖 5 1光學量測系統實際圖。	57
圖 5 2光學顯微鏡。	58
圖 5 3 XYZ三軸電控平台。	65
圖 6 1 405 nm藍光照射在直徑6 μm無殼光纖的噴流圖。	66
圖 6 2 532 nm綠光照射在直徑6 μm銀殼光纖的噴流圖。	66
圖 6 3 671 nm紅光照射在直徑6 μm銅殼光纖的噴流圖。	66
圖 6 4白光照射在直徑6 μm金殼光纖的噴流圖。	66
圖 6 5 405 nm藍光雷射於不同直徑無殼光纖所產生的聚焦情況。	67
圖 6 6 532 nm綠光雷射於不同直徑無殼光纖所產生的聚焦情況。	67
圖 6 7 671 nm紅光雷射於不同直徑無殼光纖所產生的聚焦情況。	67
圖 6 8白光於不同直徑無殼光纖所產生的聚焦情況。	67
圖 6 9 405 nm藍光雷射於不同直徑無殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	68
圖 6 10 532 nm綠光雷射於不同直徑無殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	69
圖 6 11 671 nm紅光雷射於不同直徑無殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	70
圖 6 12白光於不同直徑無殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	71
圖 6 13 405 nm藍光雷射於不同直徑銅殼光纖所產生的聚焦情況。	72
圖 6 14 532 nm綠光雷射於不同直徑銅殼光纖所產生的聚焦情況。	72
圖 6 15 671 nm紅光雷射於不同直徑銅殼光纖所產生的聚焦情況。	72
圖 6 16白光於不同直徑銅殼光纖所產生聚焦的聚焦情況。	72
圖 6 17 405 nm藍光雷射於不同直徑銅殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	73
圖 6 18 532 nm綠光雷射於不同直徑銅殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	74
圖 6 19 671 nm紅光雷射於不同直徑銅殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	75
圖 6 20白光於不同直徑銅殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	76
圖 6 21 405 nm藍光雷射於不同直徑銀殼光纖所產生的聚焦情況。	77
圖 6 22 532 nm綠光雷射於不同直徑銀殼光纖所產生的聚焦情況。	77
圖 6 23 671 nm紅光雷射於不同直徑銀殼光纖所產生的聚焦情況。	77
圖 6 24白光於不同直徑銀殼光纖所產生的聚焦情況。	77
圖 6 25 405 nm藍光雷射於不同直徑銀殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	78
圖 6 26 532 nm綠光雷射於不同直徑銀殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	79
圖 6 27 671 nm紅光雷射於不同直徑銀殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	80
圖 6 28白光於不同直徑銀殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	81
圖 6 29 405 nm藍光雷射於不同直徑金殼光纖所產生的聚焦情況。	82
圖 6 30 532 nm綠光雷射於不同直徑金殼光纖所產生的聚焦情況。	82
圖 6 31 671 nm紅光雷射於不同直徑金殼光纖所產生的聚焦情況。	82
圖 6 32白光於不同直徑金殼光纖所產生的聚焦情況。	82
圖 6 33 405 nm藍光雷射於不同直徑金殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	83
圖 6 34 532 nm綠光雷射於不同直徑金殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	84
圖 6 35 671 nm紅光雷射於不同直徑金殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	85
圖 6 36白光於不同直徑金殼光纖所產生的奈米噴流現象變化。	86
圖 6 37 0.01 mm標準試片。	87
圖 6 38 電腦程式分析0.01 mm標準試片數據。	87
圖 6 39直徑6 μm的無殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	88
圖 6 40直徑8 μm的無殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	88
圖 6 41直徑10 μm的無殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	89
圖 6 42直徑12 μm的無殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	89
圖 6 43直徑6 μm的銅殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	90
圖 6 44直徑8 μm的銅殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	90
圖 6 45直徑10 μm的銅殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	91
圖 6 46直徑12 μm的銅殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	91
圖 6 47直徑6 μm的銀殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	92
圖 6 48直徑8 μm的銀殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	92
圖 6 49直徑10 μm的銀殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	93
圖 6 50直徑12 μm的銀殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	93
圖 6 51直徑6 μm的金殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	94
圖 6 52直徑8 μm的金殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	94
圖 6 53直徑10 μm的金殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	95
圖 6 54直徑12 μm的金殼光纖之奈米噴流半高全寬與入射光波長的關係圖。	95
圖 6 55直徑6 μm,405 nm藍光雷射對不同薄殼材料的噴流聚焦強度關係。	96
圖 6 56直徑6 μm,532 nm綠光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	97
圖 6 57直徑6 μm,671 nm紅光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	97
圖 6 58直徑8 μm,405 nm藍光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	98
圖 6 59直徑8 μm,532 nm綠光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	99
圖 6 60直徑8 μm,671 nm紅光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	99
圖 6 61直徑10 μm,405 nm藍光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	100
圖 6 62直徑10 μm,532 nm綠光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	101
圖 6 63直徑10 μm,671 nm紅光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	101
圖 6 64直徑12 μm,405 nm藍光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	102
圖 6 65直徑12 μm,532 nm綠光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	103
圖 6 66直徑12 μm,671 nm紅光雷射對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	103
圖 6 67無殼光纖之奈米噴流對不同直徑的半高全寬關係圖。	104
圖 6 68銅殼光纖之奈米噴流對不同直徑的半高全寬關係圖。	104
圖 6 69銀殼光纖之奈米噴流對不同直徑的半高全寬關係圖。	105
圖 6 70金殼光纖之奈米噴流對不同直徑的半高全寬關係圖。	105
圖 6 71直徑6 μm,白光對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	106
圖 6 72直徑8 μm,白光對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	107
圖 6 73直徑10 μm,白光對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	107
圖 6 74直徑12 μm,白光對不同薄殼材料的奈米噴流強度關係。	108
圖 7 1共軛焦顯微鏡雷射掃描光柵表面圖:(a)物鏡倍率100 x,變焦8 x (b)局部放大圖。	109
圖 7 2光柵截面形狀圖。	110
圖 7 3白光照射在直徑10 μm無殼光纖上所產生的光柵條紋放大圖。 距離:(a) 0 μm (b) 5 μm (c) 10 μm (d) 15 μm (e) 20 μm。	111
圖 7 4白光照射在直徑10 μm銅殼光纖上所產生的光柵條紋放大圖。 距離:(a) 0 μm (b) 5 μm (c) 10 μm (d) 15 μm (e) 20 μm。	112
圖 7 5白光照射在直徑10 μm銀殼光纖上所產生的光柵條紋放大圖。 距離:(a) 0 μm (b) 5 μm (c) 10 μm (d) 15 μm (e) 20 μm。	113
圖 7 6白光照射在直徑10 μm銀殼光纖上所產生的光柵條紋放大圖。 距離:(a) 0 μm (b) 5 μm (c) 10 μm (d) 15 μm (e) 20 μm。	114
圖 7 7白光照射於無殼光纖之波長圖。	115
圖 7 8白光照射於銅殼光纖之波長圖。	116
圖 7 9白光照射於銀殼光纖之波長圖。	116
圖 7 10白光照射於金殼光纖之波長圖。	117
圖 7 11不同薄殼材料對光柵放大條紋之放大倍率曲線圖。	119

 
表目錄

表 2 1各英文代號之物理意義以及單位	13
表 3 1光纖模擬參數表	20
表 4 1實驗材料種類及型號。	47
表 4 2濺鍍參數表。	50
表 4 3鍍金參數表。	51
表 5 1光學顯微鏡各代號名稱	59
表 5 2 CCD規格比較與各自優點	61
表 5 3物鏡規格	62
表 5 4藍光雷射規格	63
表 5 5綠光雷射規格	64
表 5 6紅光雷射規格	64
表 7 1不同薄殼材料對光柵放大條紋之平均波長距離。	118
表 7 2不同薄殼材料對光柵放大條紋之放大倍率。	118
References
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