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應用於口腔疾病診斷之新型光學同調斷層掃瞄探頭

在本論文中，我們架設了一套光纖式光學同調斷層掃瞄系統，採用中心波長為1327 奈米，具有頻寬 117 奈米的掃頻式光源。我們針對口腔內掃瞄的需求設計並製作了一個可進行三維掃瞄的探頭。在空氣中，系統本身的縱向解析度為7微米，橫向解析度為10微米，靈敏度為 100 dB。利用這個特殊設計的三維探頭，我們先針對皮膚及指甲做活體的掃瞄。根據掃瞄的結果，我們可清楚分辨皮膚中角質層、表皮及真皮，三層主要結構。除此之外，我們在手指的掃瞄上也可以觀察到汗腺、指甲板及指甲根。在皮膚的影像掃瞄深度可達1.4到1.8毫米。對於準三維掃瞄影像的掃瞄面積為15平方毫米。準三維影像是由10張的二維影像所組成，擷取速度約1.5秒。 為了測試臨床掃瞄的可靠性，我們掃瞄了活體口腔黏膜。在我們的掃瞄過程中，我們針對口腔黏膜中，頰面黏膜、嘴唇黏膜及特化黏膜(舌頭背面)從事掃瞄。由這些口腔黏膜的掃瞄結果，我們可以分辨上皮層和固有層兩層結構，部分能看到次黏膜及某些腺體。在特化黏膜的掃瞄影像上，我們觀察到乳突及骨骼肌。口腔黏膜的掃瞄深度可達1.8到2毫米。這套系統將在台灣大學醫學院附設醫院進行口腔癌的臨床掃瞄。

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同步輻射X光吸收光譜以及X光光電子能譜術對氧化鋅鎂,二氧化鉿及銻磷砷化銦薄膜材料的特性研究

同步加速器光源是二十一尖端科學研究不可或缺的實驗工具，廣泛應用在材料、生物、醫藥、物理、化學、化工、物質、能源、電子、奈米元件等基礎與應用科學研究。光學量測對於分析半導體材料具有很重要的地位，尤其是對於材料的結構、特性，甚至是物理機制。而近幾年的半導體材料，由於它的材料特性非常適合應用在現今生活的電器設備用品上，譬如：發光二極體、積體電路原件…等，所以被廣泛而且深入的研究，縱使已經有不少上市產品應用半導體為材料，但是仍然有許多的問題與困難需要解答與突破，因此，我們將針對目前的許多挑戰做研究。 我們會利用各種不同的光學量測系統得到更多的材料特性，進而得出相互驗證的結果。在第三章，我們利用不同的分析技術來研究有機金屬化學氣相沈積磊晶法生長的氧化鋅鎂的結構特性以及電子組態。我們利用X光光電子能譜術以及同步輻射X光吸收光源精細結構頻譜圖來分析不同鎂含量的氧化鋅鎂，接著再利用X光繞射光譜以及拉曼光譜來佐證我的分析結果。在第四章，我們利用X光光電子能譜術，拉塞福背向散射，同步輻射X光吸收光源精細結構頻譜圖以及掠角X光繞射光譜分析不同生長條件的奈米材料二氧化鉿薄膜生長在矽基板上面的結構以及光學特性。我們在第五章中把重點放在銻磷化銦以氣態源分子束磊晶技術生長在砷化銦基板上，我們利用X光光電子能譜術以及同步輻射X光吸收光源精細結構頻譜圖來分析銻磷化銦的特性。

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氮化鎵發光二極體的發光效率改善

本論文中，一開始我們介紹預施應力之化學氣相沈積技術並描述其應用。我們證明了在預應變生長的氮化銦鎵/氮化鎵LED中隨著注入電流的增加，頻譜整體的紅移和頻譜藍移對於不同預應變位障層厚度的關連。由於較薄的預應變位障層具有較強烈的預應變效果，當注入電流增加時較薄的預應變位障層導致較大量的頻譜紅移及較少量的藍移。此外，可發現藉由元件電阻與飽和電流，預應變樣品製作的LED相較於傳統的LED有較佳的效能。這些現象我们歸因於具有較強烈預應變效果的樣品會有較高的平均銦含量,並且富銦聚集的行為也會較為明顯. 此外，相較於傳統長晶法的綠光樣品，我們利用預施應力生長法提高綠光樣品的長晶溫度，使得同樣發光波長的綠光發光二極體有較好發光效率。我們也利用此技術發展高效率的黃光量子井，在不需使用螢光粉下，混合上層量子井所發出的藍光而成功製作白光發光二極體，其電激螢光頻譜可接近理想白光的色座標位置 (1/3, 1/3)。 我們研發出以表面電槳和量子井之間的能量耦合機制來降低發光二極體外部量子效率的低垂。從最大外部量子效率所對應到的注入電流密度及低垂斜率的降低趨勢之結果顯示，較小的電流擴散網格可以使銀薄膜之下的區域達到較有效率的表面電槳和量子井之間的能量耦合，從而達到降低外部量子效率的低垂的目的。並且藉由改變p型氮化鎵的厚度所得到不同的低垂結果來釐清表面電槳和量子井之間的能量耦合與其他機制對元件的影響。 最後，經由改變發光二極體的接觸阻抗，我們使得量子井的接合溫度提高，我們觀察到此效應會讓載子因為晶格的震盪而有更大的機會進入更深的量子井複合，而此所對應量子井發出的藍光強度會提升到與最上層量子井發出的綠光強度相近。

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富矽碳化矽薄膜太陽能電池

本論文藉由電漿輔助化學氣相沉積系統成長富矽碳化矽薄膜，在調變氣體流量比，腔體壓力，射頻功率，改變基板溫度 250至450℃製程參數之下進行成膜品質分析。據 SIMS分析觀察到基板溫度影響薄膜與氧原子的結合導致結晶碳化矽材料的劣化。在較低的250℃基板溫度成長樣本退火後氧原子侵入整層碳化矽薄膜且氧含量SIMS強度讀值在9.7×105。相同的氧化情形可在XPS分析中呈現，經過高溫處理從Si-C, C-C sp3, C=C sp2鍵結的退化及O-Si-O鍵結的增強可證明碳化矽膜的相變。相反地，提升基板溫度至450℃條件下成長，碳化矽膜氧化的情形停止在靠近表面約20nm，且氧元素強度從9.6×105降至4.0×105。 透過選擇在薄膜沉積過程中以氬氣預稀釋腔體殘氧，以及氬氣保護下進行覆蓋式退火，可以進一步穩定碳化矽鍵結並阻止成膜氧化。在溫度拉升至1050℃且持續30分鐘退火後，經由HR-TEM得到自我聚集奈米矽的直接證據。奈米矽晶的直徑以及密度分別為3±1 nm和4.35×1018 cm-3。富矽碳化矽基ITO/n-SiC/p-Si/Al薄膜太陽能電池的電流-電壓特性曲線，隨著成長n型碳化矽參雜氣體PH3濃度從1%至5%而變化，開路電壓由72.5 升高至205.8 mV，短路電流由0.93 提升至 3.01 mA/cm2，在參雜氣體PH3濃度為5%時獲得單層n型富矽碳化矽薄膜太陽能電池轉換效率為0.16%。

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電濕潤微稜鏡透鏡應用於2D/3D影像切換之設計

本篇論文主要在探討將電濕潤技術所構成的光學元件應用於裸眼式3D立體顯示技術，以解決採取其他技術作2D與3D影像切換時，所造成嚴重的3D影像交互干擾以及不切實際的觀看距離。 本研究中採用的光學元件是由電濕潤微稜鏡所組成的非成像透鏡，我們稱它為電濕潤微稜鏡透鏡。由於電濕潤微稜鏡透鏡為一個可調變焦距的光學元件，故在2D與3D影像切換的技術上，我們將電濕潤微稜鏡透鏡與液晶透鏡作比較。我們使用光學軟體LightTools 進行光線追跡模擬。由模擬結果得知，使用電濕潤微稜鏡透鏡所得的3D交互干擾影響比文獻上使用液晶透鏡的結果降低了76%之多，且由於兩種可調透鏡之最短焦距的差異，使得電濕潤微稜鏡透鏡法之觀看距離與顯示器厚度也遠較液晶透鏡的結果來得接近實際應用需求。 另一方面，我們亦將可自由在2D與3D影像切換的電濕潤微稜鏡透鏡與僅能呈現3D影像的柱狀透鏡，針對不同的透鏡焦距與包含不同視角影像數的畫素，進行3D觀看品質上的比較，並實際模擬出包含不同視角影像數的畫素所對應之顯示器規格，期望能提供研究裸眼式3D顯示技術相關領域的學者在設計上的依據。

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以奈米碳管摻雜高分子膜飽和吸收體建構被動鎖模光纖雷射

本論文探討以奈米黏土分散奈米碳管摻雜的高分子膜做為飽和吸收體建構被動鎖模光纖雷射系統，並利用不同材料與光學分析去探討三種不同類型的單臂/雙臂/多臂碳管，在做為飽和吸收體時對鎖模輸出特性的影響。其中樣本A在拉曼分析指出為純度較低的多臂奈米碳管，其吸收能量位置與雷射增益譜乖離；且過多的石墨雜質造成強吸收，因此無法當作飽和吸收體使用。另外，TEM與拉曼分析指出樣本B為單臂奈米碳管，且利用Kataura圖推測位於1.5微米的吸收峰為奈米碳管中的E22躍遷能階。諧波鎖模在使用樣本B當作飽和吸收體之摻挕光纖雷射系統中被觀測到，並且可利用調整摻挕光纖放大器泵浦功率的方式來改變諧波鎖模的階數。另一方面，選區繞射與拉曼分析的結果同時指出樣本C為雙臂奈米碳管，且在1.55微米處，有一個對應奈米碳管中E11躍遷能階的吸收峰。在拉曼頻譜中，利用分裂的拉伸模式可推測出碳管的管徑約為1.42奈米。在使用樣本C當作飽和吸收體之摻挕光纖雷射系統中可得到基頻鎖模脈衝輸出，且利用增加摻挕光纖放大器泵浦功率來加強飽和吸收體脈衝塑型效應以縮短脈衝寬並得到頻譜拓寬。飽和吸收體膜的厚度增加會增大損耗調制深度使得脈衝縮短，利用較高分光比的耦合器則可得到較短的脈衝以及較寬的頻譜。在使用厚度為128微米飽和吸收體之摻挕光纖雷射系統中，可以觀測到792飛秒的脈衝與線寬2.72奈米的光譜。

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電流注入式微碟雷射之研製與特性分析

由於微碟雷射內部迴廊模態體積小，又因有高的品質係數，因此能夠實現低臨界電流密度的優良特性。在本篇論文中，我們分別製作出直徑大小約10μm的電注入式量子井與量子點微碟雷射，並從78K至室溫範圍做變溫量測，探討模態位移量對溫度的相依關係。 我們InGaAsP量子井樣品製作微米尺度的微碟雷射，可作為光纖通訊的雷射光源應用。利用電子束微影、乾式蝕刻及濕式蝕刻技術，並結合平坦化製程技術，製作出的微碟雷射元件。利用直流電注入量測螢光頻譜，可發現在78K下，雷射臨界電流約28μA。而目前直流操作溫度可達250K，其臨界電流約為0.69mA。 我們的InGaAs/GaAs量子點樣品，則利用兩次濕式蝕刻來製作雙碟結構。而目前使用脈衝電流操作下，可發現在150K下，有最低的雷射臨界電流約150μA。室溫下仍可操作，臨界電流值約為0.65mA，且Q值高達3700。使用BCB包覆微碟共振腔，可降低整體有效折射率對溫度的變動量，使模態對溫度的敏感度降低，使紅移量變小。 在本篇論文中，我們成功地展示了電注入式的量子點與量子井微碟雷射具有極低的臨界電流與更佳的模態溫度穩定性，因此，有很高的潛力能夠應用在下一世代的積體光電模組與系統中。

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高三重態能隙有機半導體材料之特性與元件應用

有機發光二極體(OLED)近年來在平面顯示器與白光照明應用上逐漸成熟。與目前主流顯示技術液晶顯示器(LCD)相比，OLED具有輕薄、高對比度、高鮮明度色彩、可視角度大(可達170°)、不需要背光源(自發光)，高發光效率、反應速度快(~1μs)、可彎曲等特性，可製成大尺寸以及可撓式面板。目前從小尺寸顯示器如手機與PDA顯示面板已經逐漸由OLED所取代，隨著技術不斷研發，OLED的前景無可限量。 在OLED元件開發上，目前已由能量轉換效率較高的磷光元件研究取代螢光元件，而新穎的材料更是不斷的被設計與研發以求得更好的元件效率。本論文主要研究的材料為以具有給電子效果的咔唑為主體的分子搭配上的具有拉電子效果的亞碸官能基，嘗試製作出同時具有雙載子傳輸特性的分子。於本研究中將兩種化合物cbz-di-SO2與SO2mCP進行物理性質的量測以及運用到OLED元件中進行測試，藉由不同的電子傳輸層以及電洞傳輸層材料搭配找出兩種材料的特性比較，並利用電子傳輸層的階梯式LUMO能階結構改良元件以得到不錯的元件效率。

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利用同心環形菱鏡陣列來建構太陽能集光器的設計與模擬

本論文在第一章中會先介紹有關半導體的基礎知識，包含PN接面和太陽能電池的原理與效率的計算。當高效率的太陽能電池慢慢萌芽後，高效率的代價就需要較高的成本，而為了把較大面積的光能量可以收集較小面積的的太陽電池上，就是我們的軸心-太陽能集光器，之後再介紹各種形式的太陽能集光器和應用。 在第二章中會介紹光學的基本原理和電磁理論，如惠更斯原理和斯乃爾定律的推導。然後更進一步的推導出TE波和TM波的反射率公式，最後還會介紹抗反射膜之設計。 在第三章中會介紹本論文的主軸，利用環形菱鏡陣列來建構一太陽能集光器， 在我們會利用FRED光學追跡軟體來模擬此集光器的效率和其接收角度的關係。當環形菱鏡陣列單獨作為一太陽能集光器，其幾何集光比為93倍，且集光效率達90﹪。若是搭配NA值為0.086的Fresnel lens當作第一級太陽能集光器，則其光學集光比為837倍，集光效率達92﹪。

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以有限時域差分法模擬分析數位光學相位共軛現象

當光穿過紊亂介質,與介質接觸時,產生的繞射與散射將嚴重影響觀測的影像,但若利用非線性光學中的相位共軛特性: 當光的相位改變,與原入射波為共軛之關係,光將自行回溯至波源。數位光學共軛鏡(Digital Optical Phase Conjugation)結合了電光調製器(Electro Optical modulator)及空間光調製器(Spatial light modulator),經由此儀器我們可以成功的產生相位共軛的光波,藉以達到光學回溯的效果。 本論文使用有限時域差分法(Finite-Difference Time-Domain technique), 並搭配此方法的額外技術, 針對數位光學相位共軛鏡進行一連串數值模擬與研究。我們在空間中擺放物質, 觀測電磁波經光學相位共軛鏡讀取資訊後之光回溯場型, 並更改模擬區域的寬度, 觀察光學相位共軛鏡與入射波在入射波波源處的能量場型, 企圖藉由此類數值模擬來了解數位光學相位共軛鏡之基本性質。此外, 我們更改變數位光學相位共軛鏡接收向前傳播散射波(Forward scattering wave) 之頻率以及共軛鏡的解析度, 試圖找出最有效率的組合, 並進一步利用此一組合, 模擬數位光學共軛鏡在穿透不同濃度的紊亂介質(turbid medium)時之光學回溯效果。