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System No. U0002-1008201511593400
Title (in Chinese) 介電非圓形微盤的光子奈米噴流現象研究
Title (in English) The study of photonic nanojets of the dielectric non-spherical microdisks
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 103
Semester 2
PublicationYear 104
Author's name (in Chinese) 林凡智
Author's name(in English) Fan-Chih Lin
Student ID 602370248
Degree 碩士
Language Traditional Chinese
Other Language English
Date of Oral Defense 2015-07-10
Pagination 116page
Committee Member advisor - Cheng-Yang Liu
co-chair - Ching-Bin Lin
co-chair - Tien-Li Chang
Keyword (inChinese) 光子奈米噴流
非圓形微盤
晶圓製程
繞射極限
Keyword (in English) photonic nanojets
non-spherical microdisk
wafer
diffraction limit
Other Keywords
Subject
Abstract (in Chinese)
根據先前文獻可知,微盤的形狀對於光子奈米噴流的產生有相當大的影響,因此本論文研究兩種介電材料(二氧化矽與聚二甲基矽氧烷)的非圓形微盤在三種(紅、綠、藍)雷射光源照射下產生的光子奈米噴流現象。本論文將不同直徑的圓盤截斷成相同寬度的非圓形微盤來進行理論計算與實驗量測。在理論計算方面,本論文使用時域有限差分法來模擬各種寬度非圓形微盤的光子奈米噴流光場分佈與光強度變化。在非圓形微盤製程方面,本論文使用半導體製程和翻模技術,做出兩種介電材料的非圓形微盤。在實驗量測方面,本論文使用高靈敏度光學顯微系統,來觀察非圓形微盤光子奈米噴流的實際影像,並撰寫電腦程式來計算光子奈米噴流的各種參數,其中包含噴流焦距、半高全寬、衰減長度。經由數值計算和實驗結果相互驗證,本論文發現改變非圓形微盤的寬度就能夠控制光子奈米噴流的聚焦效果、增加焦距、提高衰減長度或增加聚焦強度,這些特性有助於發展下世代的奈米級光學顯微物鏡。
Abstract (in English)
According to previous literatures, the shape of the microdisk has a considerable effect on the generation of photonic nanojets. In this research, photonic nanojets produced by non-spherical microdisks in two dielectric materials (silica and polydimethylsiloxane) at three laser sources (red, green and blue lasers) are studied. The spherical microdisks of different diameters are truncated in the same width of non-spherical microdisks for theoretical calculation and experimental measurements. In theoretical calculations, we use finite-difference time-domain method to simulate photonic nanojet distributions in various widths of non-spherical microdisks. In the manufacturing process, we use semiconductor process and replica molding technology to fabricate non-spherical microdisks in two dielectric materials. In the experimental measurements, we use a high sensitivity optical microscope to observe the real images of photonic nanojets. The key parameters of photonic nanojets are calculated by computer program which include jet focal, full width at half maximum and decay length. The enhancement of focusing effect, focal length and decay length can be controlled by changing the width of the non-spherical microdisks. These nanojet properties can help the future development of the nanoscale optical microscope objectives.
Other Abstract
Table of Content (with Page Number)
目錄
中文摘要………………………………………………….………………………………………………………….……I
英文摘要…………………………………………………….…………………………………………….…………..…II
目錄…………………………………………………………………………….………………………….……….………III
圖目錄…………………………………………………………….....………………………….……………………….VI
表目錄………………………………………………………………......................................................XVI  
第1章 前言	1
1.1 研究緣起	1
1.2 文獻回顧	3
1.3 研究動機與目的	7
第2章 理論分析	9
2.1 Mie散射理論	9
2.2 光子奈米噴流特徵	10
2.3 數值方法	11
第3章 介電非圓形微盤之光子奈米噴流數值模擬	16
3.1 模型建立	16
3.2 介電微米圓盤寬度(T)改變對光子奈米噴流影響	18
3.2.1 二氧化矽介電非圓形微盤模擬圖	19
3.2.2 PDMS介電非圓形微盤模擬圖	22
3.2.3 二氧化矽介電非圓形微盤寬度對噴流焦距關係	26
3.2.4 PDMS介電非圓形微盤寬度對噴流焦距關係	28
3.2.5 二氧化矽介電非圓形微盤寬度對噴流半高全寛關係	30
3.2.6 PDMS介電非圓形微盤寬度對噴流半高全寛關係	32
3.2.7 二氧化矽介電非圓形微盤寬度對噴流衰減長度關係	34
3.2.8 PDMS介電非圓形微盤寬度對噴流衰減長度關係	36
3.2.9 二氧化矽介電非圓形微盤寬度對噴流強度關係	38
3.2.10 PDMS介電非圓形微盤寬度對噴流強度關係	45
第4章 實驗製程	52
4.1 實驗目的	52
4.2 實驗前製程	53
4.2.1 光罩設計	53
4.2.2 二氧化矽晶圓製程步驟	57
4.2.3 PDMS製程步驟參數	59
4.2.4 二氧化矽晶圓製程成品	61
4.2.5 PDMS晶圓製程成品	65
第5章 光子奈米噴流量測系統介紹	70
5.1 實驗架構	70
5.2 光學顯微鏡	71
5.3 電荷耦合元件	73
5.4 物鏡	75
5.5 光源	76
5.6 三軸電控平台	78
第6章 奈米噴流量測與數據分析	80
6.1 介電非圓形光子奈米噴流量測	80
6.1.1 二氧化矽介電非圓形微盤(T=6μm)	81
6.1.2 二氧化矽介電非圓形微盤(T=8μm)	82
6.1.3 二氧化矽介電非圓形微盤(T=10μm)	83
6.1.4 二氧化矽介電橢圓R1.5微盤(T=6、8、10μm)	84
6.1.5 二氧化矽介電橢圓R2.0微盤(T=6、8、10μm)	85
6.1.6 PDMS介電非圓形微盤(T=6μm)	86
6.1.7 PDMS介電非圓形微盤(T=8μm)	87
6.1.8 PDMS介電橢圓R1.5盤(T=6、8、10μm)	88
6.1.9 PDMS介電橢圓R2.0微盤(T=6、8、10μm)	89
6.1.10 單位正規化	90
6.1.11 二氧化矽介電非圓形微盤之數據分析	91
6.1.12 二氧化矽介電橢圓微盤之數據分析	97
6.1.13 PDMS介電非圓形微盤之分析	100
6.1.14 PDMS介電橢圓微盤之數據分析	106
第7章 結論與未來展望	109
7.1 結論	109
7.2 未來展望	111
參考文獻	112


圖目錄
圖 1 1不同直徑與折射率對光子奈米噴流現象影響[21]	5
圖 1 2利用正向光源測量3μm微米圓球[24]	6
圖 1 3 不同波長照射在2μm玻璃微球所產生的光子奈米噴流現象[26]	6
圖 2 1光子奈米噴流結構示意圖	10
圖 2 2 FDTD空間分割	13
圖 2 3 FDTD 電磁場演算順序圖	14
圖 3 1各種非圓形微盤的數值模型	17
圖 3 2二氧化矽介電非圓形微盤模擬圖	19
圖 3 3二氧化矽介電非圓形微盤模擬圖	20
圖 3 4二氧化矽介電非圓形微盤模擬圖	20
圖 3 5二氧化矽介電橢圓微盤模擬圖	21
圖 3 6二氧化矽介電橢圓微盤模擬圖	22
圖 3 7 PDMS介電非圓形微盤模擬圖	23
圖 3 8 PDMS介電非圓形微盤模擬圖	23
圖 3 9 PDMS介電非圓形微盤模擬圖	24
圖 3 10 PDMS介電橢圓微盤模擬圖	24
圖 3 11 PDMS介電橢圓微盤模擬圖	25
圖 3 12非圓形微盤噴流焦距與波長關係	26
圖 3 13非圓形微盤噴流焦距與波長關係	26
圖 3 14非圓形微盤噴流焦距與波長關係	27
圖 3 15橢圓微盤噴流焦距與波長關係	27
圖 3 16 非圓形微盤噴流焦距與波長關係	28
圖 3 17非圓形微盤噴流焦距與波長關係	28
圖 3 18 非圓形微盤噴流焦距與波長關係	29
圖 3 19橢圓微盤噴流焦距與波長關係	29
圖 3 20非圓形微盤噴流FWHM與波長關係	30
圖 3 21非圓形微盤噴流FWHM與波長關係	30
圖 3 22非圓形微盤噴流FWHM與波長關係	31
圖 3 23橢圓微盤噴流FWHM與波長關係	31
圖 3 24非圓形微盤噴流FWHM與波長關係	32
圖 3 25非圓形微盤噴流FWHM與波長關係	32
圖 3 26非圓形微盤噴流FWHM與波長關係	33
圖 3 27橢圓微盤噴流FWHM與波長關係	33
圖 3 28非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係	34
圖 3 29非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係	34
圖 3 30非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係	35
圖 3 31橢圓微盤噴流衰減長度與波長關係	35
圖 3 32非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係	36
圖 3 33非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係	36
圖 3 34非圓形微盤噴流衰減長度與波長關係	37
圖 3 35橢圓微盤噴流衰減長度與波長關係	37
圖 3 36紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	38
圖 3 37綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	39
圖 3 38藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	39
圖 3 39紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	40
圖 3 40綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	40
圖 3 41藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	40
圖 3 42紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	41
圖 3 43綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	41
圖 3 44藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	42
圖 3 45紅光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	42
圖 3 46綠光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	43
圖 3 47藍光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	43
圖 3 48紅光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	44
圖 3 49綠光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	44
圖 3 50藍光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	44
圖 3 51紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	45
圖 3 52綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	45
圖 3 53藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	46
圖 3 54紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	46
圖 3 55綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	47
圖 3 56藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	47
圖 3 57紅光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	48
圖 3 58綠光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	48
圖 3 59藍光在非圓形微盤與光子奈米噴流強度關係	48
圖 3 60紅光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	49
圖 3 61綠光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	49
圖 3 62藍光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	50
圖 3 63紅光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	50
圖 3 64綠光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	51
圖 3 65藍光在橢圓微盤與光子奈米噴流強度關係	51
圖 4 1實驗示意圖	53
圖 4 2光罩設計圖	54
圖 4 3 光罩圖	54
圖 4 4二氧化矽製程步驟	55
圖 4 5 PDMS製程步驟	56
圖 4 6 二氧化矽光阻旋塗速度與時間關係	57
圖 4 7 PDMS光阻旋塗速度與時間關係	59
圖 4 8 在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=6μm (b) d=9μm (c) d=12μm (d) 25μm	61
圖 4 9在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=8μm (b) d=12μm (c) d=15μm (d) 30μm	62
圖 4 10在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=10μm (b) d=15μm (c) d=20μm (d) 40μm	62
圖 4 11 在相同長短軸比例(R)下橢圓微盤成品:(a) T=(6 μm) (b) T=(8μm) (c) T=(10μm)	63
圖 4 12在相同長短軸比例(R)下橢圓微盤成品:(a) T=(6 μm) (b) T=(8μm) (c) T=(10μm)	63
圖 4 13在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=6μm (b) d=9μm (c) d=12μm (d) 25μm	65
圖 4 14在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=8μm (b) d=12μm (c) d=15μm (d) 30μm	66
圖 4 15在相同寬度(T)下非圓形微盤成品:(a) d=10μm (b) d=15μm (c) d=20μm (d) 40μm	67
圖 4 16在相同長短軸比例(R)下橢圓微盤成品:(a) T=(6 μm) (b) T=(8μm) (c) T=(10μm)	68
圖 4 17在相同長短軸比例(R)下橢圓微盤成品:(a) T=(6 μm) (b) T=(8μm) (c) T=(10μm)	69
圖 5 1本實量測系統圖	70
圖 5 2 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡示意圖	72
圖 5 3 XYZ三軸控制器示意圖	78
圖 5 4 XYZ三軸控制器	79
圖 6 1紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	81
圖 6 2綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	81
圖 6 3藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	81
圖 6 4紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	82
圖 6 5綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	82
圖 6 6藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	82
圖 6 7紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	83
圖 6 8綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	83
圖 6 9藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	83
圖 6 10紅光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	84
圖 6 11綠光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	84
圖 6 12藍光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	84
圖 6 13紅光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	85
圖 6 14綠光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	85
圖 6 15藍光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	85
圖 6 16紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	86
圖 6 17綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	86
圖 6 18藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	86
圖 6 19紅光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	87
圖 6 20綠光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	87
圖 6 21藍光在非圓形微盤的光子奈米噴流聚焦情形	87
圖 6 22紅光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	88
圖 6 23綠光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	88
圖 6 24藍光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	88
圖 6 25紅光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	89
圖 6 26綠光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	89
圖 6 27藍光雷射在橢圓微盤的光子奈米噴流聚焦情形	89
圖 6 28標準片	90
圖 6 29電腦程式分析刻畫玻片數據圖	90
圖 6 30 6μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係	91
圖 6 31 8μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係	92
圖 6 32 10μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係	92
圖 6 33 6μm非圓形微盤FWHM對波長關係	93
圖 6 34 8μm非圓形微盤FWHM對波長關係	94
圖 6 35 10μm非圓形微盤FWHM對波長關係	94
圖 6 36 6μm非圓形微盤衰減長度對波長關係	95
圖 6 37 8μm非圓形微盤衰減長度對波長關係	96
圖 6 38 10μm非圓形微盤衰減長度對波長關係	96
圖 6 39 6、8、10μm橢圓微盤噴流焦距對波長關係	97
圖 6 40 6、8、10μm橢圓微盤FWHM對波長關係	98
圖 6 41 6、8、10μm橢圓微盤衰減長度對波長關係	99
圖 6 42 6μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係	100
圖 6 43 8μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係	101
圖 6 44 10μm非圓形微盤噴流焦距對波長關係	101
圖 6 45 6μm非圓形微盤FWHM對波長關係	102
圖 6 46 8μm非圓形微盤FWHM對波長關係	102
圖 6 47 10μm非圓形微盤FWHM對波長關係	103
圖 6 48 6μm非圓形微盤衰減長度對波長關係	104
圖 6 49 8μm非圓形微盤衰減長度對波長關係	105
圖 6 50 10μm非圓形微盤衰減長度對波長關係	105
圖 6 51 6、8、10μm橢圓微盤噴流焦距對波長關係	106
圖 6 52 6、8、10μm橢圓微盤FWHM對波長關係	107
圖 6 53 6、8、10μm橢圓微盤衰減長度對波長關係	108
表目錄
表 3 1數值模擬模型參數表	17
表 4 1二氧化矽製程參數	64
表 4 2 PDMS製程參數	69
表 5 1 MICROTECH LX500-M金相顯微鏡各部位名稱	72
表 5 2 MLx205與SV-C393-2NU CCD 規格比較	74
表 5 3物鏡規格比較表	75
表 5 4紅光雷射規格	76
表 5 5綠光雷射規格	77
表 5 6藍光雷射規格	77
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