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時域擬光譜法模擬分析虛擬雞角膜的透明性

在這項研究中，通過時域擬光譜法（pseudospectral time-domain algorithm, PSTD algorithm）模擬技術對通過虛擬雞角膜組織傳播的光進行建模。 建立了由膠原纖維組成的基質層，我們模擬了光在其中傳播的情形。並分析各種結構因素以研究其對光學透明度的影響，包括膠原纖維的排列和大小。此外，我們利用徑向分布函數對照膠原纖維的分布，並使用透射率，空間相關性和雷達散射截面（radar cross-section, RCS）分析角膜的透明性。我們可以從該研究的模擬結果中獲取有助於了解雞角膜透明度的光學信息。

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垂直共振腔面射型雷射之模態與速度特性研究

本論文以氧化孔徑侷限垂直共振腔面射型雷射的高速特性為主題，將高速大訊號傳輸作為目標，針對其直流、動態、雜訊做分析。 第一章介紹目前資料中心對短距離的850 nm VCSEL與單模傳輸的高速特性需求背景和研究動機。 第二章討論了VCSEL的下方DBR部分不參雜以降低吸收的磊晶設計，並以水氧化孔徑的製程結構做出光孔徑大小分別為2.3、4.3、6.3、8.3 μm的VCSEL元件；在直流特性上，最小2.3 μm孔徑的元件為單模且臨界電流較大，Iro較小，熱效應影響嚴重；而另外三個為多模元件，隨著孔徑變大，臨界電流、Iro變大，而熱效應變小；小訊號特性上則是2.3 μm和8.3 μm VCSEL的頻寬大小受外部寄生效應影響較大，隨著孔徑越小，f_R速度增加越快，但小孔徑受限於Iro較小，因此最小2.3 μm孔徑的元件f_R速度無法超過4.3 μm孔徑的元件；儘管孔徑越大，阻尼影響越小，但也因為電流密度較小與多模態同時消耗載子，使f_R速度無法快速增加，無法達到最大頻寬，因此最後選出了4.3 μm孔徑的元件作大訊號傳輸，達到最高速為54 Gb/s。 第三章以單模VCSEL為主題，由於孔徑較小且單模特性，散射損耗和較大的熱效應造成的吸收使臨界電流大於多模小孔徑VCSEL臨界電流。在直流特性上因其熱效應與單一模態的影響，空間燒孔現象嚴重，在大約6 mA隨即roll-over，出光光強受到限制；在動態特性方面，頻率響應在元件外加電流為3.6 mA時即達到飽和，RIN方面則顯示出單模雷射沒有多模雷射的模態競爭效應，因此雜訊較小，對遠距離傳輸有幫助；在遠距離傳輸的部分，此元件可以達到最遠為500 m時傳輸速度為40 Gb/s。 第四章利用Al2O3鈍化改善單模VCSEL特性，解決小元件漏流的問題。在直流特性上降低臨界電流，在頻譜上可達到6 mA並出現了在高電流下允許的第二個模態；在小訊號參數上提升了RP並減小CP，證明此結構可以避免漏流同時提升外部寄生頻寬；在大訊號特性上則提升了4 Gb/s，因此可以說Al2O3鈍化確實改善了小孔徑單模元件的特性。

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基於液晶的高效率相位可調之超穎表面

動態可調的超穎表面近年來逐漸受到重視，由於其可調製任意位置相位之特性，可應用於自駕車、相機及遙測等領域。我們藉由次波長三明治型光柵理論，提出一個電控可調的液晶超穎表面以控制光束方向和偏振特性。此理論有效率地預測一個可引發共振疊加的結構以達到2π 的相位改變。我們亦以自建之平行化三維時域有限差分法電磁模擬器搭配各向異性材料演算法驗證該理論。我們設計之超穎表面是以內含液晶的矽柱為最小單元組成之陣列，隨著施加偏壓以改變約0.2的液晶分子折射率變化範圍，此設計針對1550 奈米波長的近紅外線達到1.96π 相位調製範圍及超過99% 的反射率。藉著控制反射波的相位，我們個別演示了光束偏轉器及偏振轉換器之應用。該可調式光束偏轉器的最大的偏轉角度為40.23 度。該偏振轉換器能將線偏光轉換成與之互相垂直之線偏光、左右旋極化光，甚至是橢偏光，並具有接近全反射的效率及超過30 dB 的優異消光比。

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時域有限差分法分析漏溢聲波之針定位

臨床醫學中由於人體組織非肉眼可透視，因此經常使用超聲波作為輔助來判斷醫療針在體內的位置，然而超聲波在針體表面的反射作用限制了超聲波探頭與針之間的角度，進而影響手術的自由度以及誤差。本論文以一種利用雷射誘發漏溢聲波的針定位方式作為基礎進行時域有限差分法模型建構，其原理為使用超聲波導波在針體與組織邊界由於介質不匹配產生的漏溢聲波進行針體位置的計算。模擬中利用聲波控制方程式模擬超聲波之傳遞，使用不同型號之醫療針進行定位誤差運算後，更改針壁厚度與針內徑大小與誤差結果進行對比，觀測針體幾何條件對於定位之影響。研究結果顯示使用的針其針壁厚度較厚時，得到的針定位計算誤差值減小，且針與探測器夾角達26∘時計算誤差值上升幅度增加。

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超高速雙光子顯微鏡之電控及其應用

神經元之間通過動作電位交互作用，其所耗之時間往往發生在毫秒這個級距內。因此，我們需要可以提供高時間解析度的光學顯微鏡，用以研究神經元細胞之間的神經迴路。為此，我們需要具有上千赫茲掃描功能的雙光子熒光顯微鏡（2PFM）,用以監控動作電位來描述神經元之間的電壓變化。此外，利用Accelerated Sensor of Action Potentials (ASAPs)與2PFM的結合，可以從大量清醒細胞中進行無創、高靈敏度和長時間的光學記錄；這將為理解神經系統如何在神經迴路和神經訊息編碼和處理訊息鋪平道路。本篇論文的重點將描述兩千赫茲分辨率的電壓影像。 本文中，為了進行原理驗證研究，我們首先演示我們的超高速2PFM數位電控成果實現及其特性。其次，我們也分享了毫秒級精度的ASAPs雙光子電壓影像。在這裡，利用我們擁有2k幀率顯微鏡的優勢，我們將其用以觀測清醒小鼠大腦中的神經元細胞。最後，以2k幀率的ASAPs結果，我們已經能夠獲得其動作電位。高時間解析度不僅提供了動作電位的更多細節，而且還提供了更高精準度。 使用這個平台，可以觀測到體內的動作電位。而且這超高時間解析度的研究，至今沒有學者公開發表過。我們的系統非常穩定、強大、完整、以及具有極大的成本效益。這平台為研究動物行為打下了強大的可能性。將來，不僅是神經元迴路的病理分析，這平台還可用以不同的生醫影像研究。

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以多重奈米柱表面電漿超穎介面設計寬頻高效率之極化分光器

偏振測量技術是一種常見的光學分析手段，偏振可以揭示一些原本不可見的特徵，例如結構應力、雙折射性、旋光性等，然而在偵測過程中往往只能記錄強度，卻丟失了相位的資訊，因此我們必須在量測前先使用極化分光器將正交極化光倆倆分離，為了確定全史托克斯參數(能完整描述任意光的偏振態)，至少需要進行四種獨立的偏振測量，這使得光學系統的體積通常龐大。近年來人們透過對超穎表面適當的設計，可有效控制結構的相位響應以實現對電磁波的行為操控，並由於超穎表面為次波長尺寸，相較傳統光學元件展現了輕薄的優勢。 基於以上原因，本篇論文我們將利用相位梯度電漿子超穎表面設計兩個極化分光器，分別量測偏振態x/y和±45°，設計中心波長為730 nm，並且嘗試藉由積體共振單元的設計，利用其複雜的耦合機制達成高效率、寬頻的極化分光器，成功將x/y極化分光器的效率由50%提升至70%，頻寬由130 nm提升至280 nm；±45°極化分光器效率則由50%提升至60%，頻寬由125 nm提升至240 nm。我們進一步考慮了兩組極化分光器在y方向交替排列出現的高階繞射，為了解決這個問題，我們基於最佳化與傅氏光學之計算獲得只沿著x方向重新排列的相位分佈，並通過全波模擬驗證了此種解決方式依然能同時分離四組對應的偏振光，其總效率為50%且四種極化對比度高於90%。