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主編的話

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藉由半導體微共振腔探測光與物質交互作用對介電係數之頻率響應以及雷射動力學之影響

半導體光學是眾多光電元件的基石。這些元件上的應用圍繞在光與物質交互作用的精神上。特殊來說，在寬能係半導體的材料系統內，光激發的載子以激子（Excitons）為主。這與光激發產生自由電子、電洞為主體的半導體比較，以激子為主體的半導體在介電係數的頻率響應和雷射動態表現上，都有著不同的特徵。在本篇研究中，我們運用氧化鋅微米柱（ZnO MicroRods）和溴化銫鉛鈣鈦礦微米線（CsPbBr3 MicroWires）來探討光（共振腔光子，Cavity Photons）與物質（激子和聲子）之間的交互作用。使用半導體微共振腔（Semiconductor Microcavities）的方式可以帶來許多巧妙的優點，因為合成半導體微共振腔可以是相當自然的，共振腔的幾何正好反應出材料的晶體特徵，因此高對稱形狀的微共振腔和高結晶性的晶體可以同時被滿足。我們有策略性地運用半導體微共振腔，並準確地獲取光與物質交互作用後的能帶色散關係（Energy Dispersions，E-K Diagram）。證明了光與物質交互作用的大小（拉比分裂能量，Rabi-Splitting Energies）和溫度是相關聯的，這也顯示出材料聲子帶來的散射影響。更進一步地，半導體微共振腔結構可以因為光激發而產生雷射現象。以激子為主體的半導體材料，在光學增益的機制上，也和傳統三五族半導體材料經由光激發產生自由電子、電洞粒子後的光學增益行為有所不同。我們觀察到的光學增益在激發增加的情況下，呈現出紅移（或往低能量）拓展的趨勢，這可以被歸因於顯著的激子與聲子耦合能態。

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High-Performance Organic Photodetectors with Low Driving Voltages Based on Photomultiplication Phenomena

Narrowband organic photodetectors (OPDs) conventionally necessitate high applied biases to accommodate a sufficiently thick active layer for self-filtering functions. Herein, we propose a concept leveraging the photomultiplication (PM) process to achieve spectral narrowing in OPDs which can operate at low external biases. This PM narrowing mechanism integrates two distinct functions through a pseudo bilayer structure comprising a photonfiltering (PF) layer and a PM layer, respectively. The initial PF layer absorbs short-wavelength photons and selectively permits light within a narrow bandwidth at the band edge of the PF material to enter the subsequent PM layer, thereby initiating the PM effect. The combined action of these two layers synergistically empowers the OPDs to exhibit a pronounced PM effect, resulting in a notably high external quantum efficiency of 5840% at a narrowband peak of 680 nm under a low bias of -5.0 V. Furthermore, the OPDs achieve a substantial -3dB bandwidth of 5.2 kHz, alongside a maximum detectivity of 2.60 x 10^(13) Jones. These findings position the OPDs among the top-performing selffiltering narrowband detectors, particularly for those capable of functioning at low external biases.

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臨床三倍頻顯微術：表皮游離神經末梢之光學虛擬切片

過去神經纖維的無標記成像方法需依賴於空間信號的連續性來識別，但無法對自由表皮內神經末梢進行成像。我們提出了一種名為「不連續性三倍頻顯微成像技術」（Discontinuity third harmonic generation microscopy, dTHGM），該方法利用THG信號的三維不連續性作為對比機制。我們描述了dTHGM的機制與設計，並應用其揭示無髓鞘表皮內神經末梢的串珠狀特徵。我們透過與PGP 9.5 化學免疫組織學染色的對比研究及SNI動物模型研究，驗證了dTHGM的無標記能力。此外，我們開發了一種基於不連續點連接算法的表皮內神經纖維指數指數，IENF index，以促進dTHGM的臨床應用。初步臨床研究證實，IENF指數與皮膚活檢的IENF密度高度相關（皮爾遜相關係數R =0.98），並能夠有效區分糖尿病周圍神經病變患者的小纖維神經病變（p = 0.0102）。

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二維PEA_2PbI_4鈣鈦礦中透過聲子媒介途徑的上轉換發光

我們的研究揭示了二維鹵化物鈣鈦礦中存在了高效的單光子上轉換光致發光現象，這項特質顯示了這些材料在雷射冷卻應用中的潛在價值。在本研究中，我們針對這些鈣鈦礦中的單光子上轉換光致發光機制進行了深入的探討，我們發現了它屬於反思托克斯光致發光的一種形式。反思托克斯光致發光是藉由固態材料系統中的聲子來促成發射光子與吸收光子之間的能量轉移，這也被稱為聲子輔助上轉換或是熱能誘導上轉換機制。通過這種上轉換的過程，反思托克斯光致發光能夠有效的消耗固態材料系統中的熱能，藉此達成材料冷卻的效果，促成雷射冷卻的效應發生。我們的研究成功展示了對二維PEA_2PbI_4鈣鈦礦材料進行雷射冷卻的可行性，並取得了令人矚目的成果，從室溫測量起，此材料的冷卻效果高達68.1 K。這一項重大發現不僅凸顯了光學冷卻和雷射冷卻技術在固態系統中的應用潛力，更為了各種電子和光電子元件的發展帶來了顯著的好處，這項研究開啟了一項新的研究方向，展開了一道新的大門發展未來新穎兼具高效的光電子雷射冷卻元件。

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拓撲優化實現特定顏色波長選擇的高品質因子超穎介面

非局域超穎介面，以共振波導光柵（RWG）為例，其透過擴展諧振模式在空間上配置波前，實現在頻譜中反射窄頻、窄角度的波段，或是高品質因子特性。雙週期RWGs的設計已驗證可過濾波長並任意選擇繞射方向，但效率過低。為此，本研究提出了一種基於拓撲優化的超穎共振波導光柵（MRWG），其由二氧化鈦（TiO_2）構成並製作於玻璃基板上，能在可見光波段中高效繞射藍、綠、黃和紅光波段。透過基於伴隨法（adjoint-based）的拓撲優化，並考慮非局域效應，我們顯著提升了其繞射效率，使其數值模擬效率高達78%，品質因子達1362。在實驗驗證中，我們獲得了最高59%的繞射效率，且品質因子達到93。相信未來具有特定波長高反射效率與高品質因子的MRWG，有望改變光學合成器和擴增實境的應用，成為未來光學技術的基石。

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TAG-SPARK：深度學習提升高速雙光子體積成像系統應用於活體老鼠小腦運動神經之研究

揭開人體中複雜的神經網絡是理解大腦功能的重要一步。在神經活動的全面記錄中，同時取得大範圍神經群體，並擁有高時空解析度的體積成像技術至關重要，有助於理解神經訊號的傳遞與細胞之間的溝通。在神經科學領域中，雙光子高速鈣離子成像技術，以其亞微米空間解析度在捕捉神經活動中扮演重要角色。然而，由於取像速度與圖像質量之間的平衡，受限於有限的光子訊號流量，總導致低信噪比和對比度差的問題。為了提升高速體積影像的品質，我們開發了一套深度學習降噪算法（TAG-lens-based SPAtial redundancy-driven noise Reduction Kernel, TAG-SPARK），並將其與具有視頻速率的雙光子體積成像系統整合。利用可調式聲波梯度折射率透鏡（TAG lens）實現高速連續焦點變化，取得垂直（axial）空間冗餘資訊，進行自監督模型訓練的開發。結合此降噪深度學習演算法的影像處理方法，該技術實現了超過300%的峰值信噪比（PSNR）和超過700%的信噪比（SNR）增強，同時保持神經活動的訊號變化特徵。為了展示此技術的能力，我們以觀察活體小鼠的Purkinje cells個體與群體反應為例。Purkinje cell在小鼠運動時的樹突神經訊號表現被視為其關鍵特徵。樹突細胞的鈣離子變化與complex spike之間存在顯著相關性。儘管相關的研究已經證實神經訊號由樹突到細胞本體的傳遞概念具有基礎性意義，但僅限於二維的平面影像研究，仍需要高速體積成像進行完整的驗證。因此，我們的研究旨在探索神經訊號如何在獨立神經細胞中從樹突到細胞本體的傳遞，以及群體細胞之間的相互溝通。技術不僅以高品質影像捕捉神經活動，還有助於我們更深入地理解三維神經結構中神經訊號的傳遞途徑。

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基於液晶偏振體積光柵的繞射波導顯示技術之研究

擴增實境（Augmented reality, AR）顯示器結合虛擬影像與現實世界，其中合光器在確保優良視覺效果與輕薄設計方面扮演關鍵角色。繞射型波導合光器透過光柵耦合光線，能有效增加視野並縮小元件體積。其中，偏振體積光柵（Polarization Volume Gratings, PVGs）因其高繞射效率、大繞射角度、偏振選擇性與低製造成本而備受關注。本研究開發液晶PVGs元件作為繞射型波導合光器，並區分為被動式與主動式元件。利用雙光干涉雷射曝光技術，在光配向層上產生週期性線偏振圖案，搭配全聚合物型膽固醇液晶製作被動式PVGs，應用於波導系統以優化成像品質與降低損耗。主動式PVGs則利用聚合物穩固型膽固醇液晶製作，並透過電場調控液晶結構，使作為光開關的調製器。此外，可切換反射與穿透模式的主動式PVGs也極具潛力，透過電流體效應調控CLC螺旋結構，實現反射（Planar）與穿透（ULH）間的切換，為AR顯示技術提供更多應用性。

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體積全像光柵與超穎介面結合共光程數位全像顯微鏡系統之設計與開發

數位全像顯微術（DHM）是一種基於干涉的顯微技術，在定量相位成像與三維成像上有卓越的應用。然而，傳統DHM受限於系統複雜性與傳統光學元件尺寸，使其在穩定性與微小化上受到限制。本研究提出使用體積全像光柵（VHG）以及超穎介面元件與DHM做結合，來改良同軸式與離軸式DHM架構。在本論文的第一項工作中，使用了VHG高繞射效率且單一繞射階的特性，將其應用在共光程DHM架構上，有效提升系統穩定性，我們也用其架構準確量測奈米厚度結構樣本以及人體細胞。在超穎介面應用部分，我們設計了奈米級的簡易分光元件，同樣用於實現共光程的DHM架構，為微小化系統增添更多可能性。同時，我們也使用超穎透鏡設計了非常緊湊的同軸式DHM，並展示微粒子與微生物的三維粒子追蹤能力。

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智慧領航－專訪蘇炎坤教授