臺灣大學光電工程學研究所學位論文
國立臺灣大學,正常發行
選擇卷期
- 學位論文
為了研究各向異性材料對於建構完整的能帶結構所造成之影響，我們針對在光子晶體中的電磁波模態可以退耦成橫向電場與橫向磁場模態之情況，先發展出一個以有限元素法為基礎所建立的廣義純量式特徵值演算法來分析二維各向異性光子晶體的能帶結構。我們分析了具有正方晶格與三角晶格的二維各向異性光子晶體，並且審查這兩種晶格結構的第一布里淵區中不同子區域間之關係。在分析各向異性光子晶體時，第一布里淵區中足夠多之必要子區域皆須納入考慮，因此用來為各向等性光子晶體建構完整能帶結構之概念須加以適當修正。 然後，在電磁波的傳播方向平行於週期性平面之條件下，一個以有限元素法為基礎的全向量式特徵值演算法更進一步被提出來針對具有三維各向異性材料的二維光子晶體進行能帶結構分析。我們嘗試同時考慮所有電場或磁場分量並推導出一個矩陣特徵值方程式來處理最廣泛之二維光子晶體問題。經由分析各向等性的光子晶體，我們闡述了此全向量式特徵值演算法與廣義純量式特徵值演算法之間的關係，而藉由探討一個各向異性光子晶體之特性，我們說明了此全向量式特徵值演算法的重要性。對於二維各向異性光子晶體更深刻的認識與了解皆可以利用此全向量式特徵值演算法來獲得。 最後，在電磁波的傳播方向不再平行於週期性平面之條件下，我們亦展示了一個以有限元素法為基礎的全向量式特徵值演算法，此演算法可以為具有三維各向異性材料的二維光子晶體建構出能帶邊界圖。使用此全向量式特徵值演算法，各種具有不同材料組成與幾何形狀定義的光子晶體之能帶邊界圖皆可以方便且正確地建構出來。因此，我們可以利用此全向量式特徵值演算法來獲得關於光子能隙光纖之分析與設計相當有用的指導方針。
- 學位論文
在本論文中，吾人展示了數種不同的光纖傳輸超短脈衝雷射光源以及其相關的光電系統，這些展示的成果使得光纖傳輸的脈衝光源在生醫光電以及工程中之種種應用更為實際。本論文的目標主要分為幾個部分：首先是建造在非線性光學顯微術以及在非線性內視鏡系統中所需要用的光纖傳輸脈衝光源；其次是建立光纖輸出極寬頻可調雷射；最後是基於此種光纖輸出極寬頻可調雷射提出並且展示一種在射頻/微波時間延遲上的新穎應用。 在非線性光學顯微術應用方面，吾人首先建立了一套微小化、高輸出功率並且自啟動的鉻貴橄欖石飛秒固態鎖模雷射，此鉻貴橄欖石雷射所輸出的飛秒脈衝係經由大模態面積光子晶體光纖來傳遞並且壓縮到時間上之轉換極限。藉由此光纖輸出之超短脈衝雷射光源，吾人隨後建立了一套微小以及可靠的雙光子螢光顯微鏡系統。其後，為了實際臨床上的應用，我們嘗試利用光纖集束建立了一套光束掃瞄非線性光學內視鏡。由於光纖集束在此鉻貴橄欖石飛秒雷射輸出波長的色散值很小，吾人不需經由使用任何額外的光學元件來補償超短脈衝光源在光纖中之傳遞變形。最後我們分析了系統的空間解析度並且以數張生物影像展示了此系統的可行性。 在另一方面，除了傳輸的功能，光纖還可以被用來當作寬頻的頻率轉換元件。利用高能量脈衝在非線性光纖中的光孤子自我頻率位移效應，吾人建立一可調範圍破世界紀錄之光纖輸出極寬頻可調雷射（波長輸出範圍從1.2微米到2.2微米），其可調範圍可達910奈米之多。此外，對於此種光纖輸出極寬頻可調雷射，吾人也提出並且建立一套全光纖化之連續可調射頻時間延遲系統。這個射頻/微波的超大時間延遲系統在實驗上最大延遲時間為730柰秒。與其它現有技術比較，這個延遲系統的架構比較簡單，並且具有容易操作與具有極大範圍可調延遲，深具在民用通訊以及衛星雷達上的應用潛力。
- 學位論文
光學系統是由許多不同的光學元件所組成，而透鏡是其中一種最具代表性的光學元件。在光學系統中，透鏡的主要用途是將光線會聚或者發散。絕大部分的透鏡都是球面透鏡。然而對於某些特殊目的，例如減少光學像差、光束的再成形、在單一透鏡上組合不同的屈光率等，球面透鏡並不適用。為此我們必須設計特定的透鏡來改變光線方向，而這些透鏡的鏡面往往是屬於非球面或是自由曲面。以往，受限於電腦運算能力與加工技術的限制，非球面與自由曲面的設計與製作是非常困難的。不過，隨著現代電腦運算能力與超精密加工技術的發展，非球面與自由曲面透鏡的設計與製造是可行且值得發展的。 在本文中，我們探討了非球面與自由曲面在光學系統中幾種不同的設計與應用，內容主要可分為四大主題。一、使用比較式紅外線量測法偵測高真空度玻璃面板中的有機氣體殘留：介紹一個標準的光學系統，此光學系統目的是偵測高真空度玻璃面板中可能殘留的氣體。二、漸進多焦式鏡片：漸進多焦式鏡片是種眼鏡鏡片，用途是矯正老花眼，其鏡面設計是種典型的自由曲面設計，我們利用有限差分法分析鏡面參數與使用直接設計法設計漸進多焦式鏡片。三、雷射光束整形器：本主題探討一個高效率光學系統，此光學系統的用途是將雷射光束重新成形，我們探討了典型的光束成形器並發展新的設計方法用以設計應用於雷射水平儀的一維光束整形器。四、發光二極體光束整形器：在最後這主題中我們探討針對發光二極體的光束整形器，在此整形系統中的主要元件是微透鏡陣列，我們探討了單一陣列與雙陣列的整形系統，並提出一個全新的複合式光束整形器。
- 學位論文
短距離的電訊號傳輸已經有逐漸被光訊號取代的趨勢，短距離傳輸光的波導已可做到微米甚至是奈米尺度，其傳輸損耗為一大關鍵，而表面之粗糙度為決定性之因素。我們研究小組運用傳統抽絲塔之原理，加上改良之抽絲架構，以125微米粗細之光纖為素材做出了一微米以下之微細光纖，且其表面光滑，再藉由鎢針構成之操控工具以及矽晶圓所構成之基底，可以製作出微型之環狀共振腔。由半導體製程的方式，可以做出特定之環型架構，經由PDMS之翻模可得到放置微細光纖之凹槽，藉由適當之工具，我們可以將微細光纖置入其凹槽內。再經由漸減波的方式導光進入微型之環狀共振腔，可以量測到共振腔特有之頻譜，並藉由程式模擬找出其穿透係數、衰減係數以及耦合損耗。其共振頻譜之能量衰減可到達7dB.
- 學位論文
在本研究的第一部份，我們以高解析穿透式電子顯微鏡術，研究四片氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井發光二極體樣品的奈米結構。以預施應力方式成長的樣品，在成長高濃度的量子井結構前，先成長一層低濃度(約7%)之量子井，對其上的氮化鎵磊晶層造成一個拉張的應力。我們利用穿透式電子顯微術及應力分佈分析軟體分析這四片樣品的奈米結構。由穿透式電子顯微術所得到的影像，我們可以觀察到量子井內銦原子聚集及分佈不均勻的現象。透過應力分布分佈軟體去計算量子井內的平均濃度及銦原子濃度的變化範圍，我們發現在以預施應力成長的樣品中，量子井內的銦濃度的變化範圍較小。 在本研究的第二部份，我們比較兩片成長在以陽極氧化鋁製作的二氧化矽奈米孔洞模板上的氮化鎵奈米柱的結構。從掃描式電子顯微鏡及穿透式電子顯微鏡的影像中發現，我們成功地以二氧化矽奈米孔洞模板長出氮化鎵奈米柱，而且奈米柱的品質良好。
- 學位論文
摻鐿光纖雷射近來以每年功率倍增之趨勢成長，相較於傳統高功率雷射，其在千瓦級以上功率輸出時仍可保持60%光轉換效率與接近繞射極限之光束品質；其他如激發光源為半導體雷射故使用壽命長，增益介質為光纖形態故可輕薄短小且散熱性能佳，以商業角度來說可大幅降低營運維修成本，大有取代傳統高功率雷射在雷射加工、非線性光學與雷射電漿物理上的運用。在雷射性能上，連續輸出、Q開關奈秒級脈衝或鎖模飛秒級脈衝之光纖雷射及其光纖功率放大器之技術發展已逐漸成熟。未來的挑戰為單模十千瓦級與單頻線極化之連續輸出以及百毫焦耳級脈衝能量與千瓦級平均功率之脈衝輸出。 在本論文中，作為初步的研究，我們成功地以入射功率20 W、波長915 nm光纖耦合半導體雷射來端面激發摻鐿光纖，成功產生波長1064 nm且連續功率9 W之雷射，並與模擬結果在雷射斜率效率、激發閥值與中心波長上得到良好驗證，並分析其端面耦光效率之最佳化、摻鐿光纖吸收量測。