中央大學光電科學研究所學位論文
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本研究利用蛾眼效應，藉由多孔陽極氧化鋁蝕刻遮罩，在矽基板上製作出抗反射蛾眼結構。首先，我們先利用有限時域差分法設計出週期為200nm之奈米孔洞陣列作為蝕刻遮罩。然後，我們在矽基板表面製備多孔陽極氧化鋁奈米孔洞陣列薄膜，多孔陽極氧化鋁有著製做成本低廉，製程簡單、快速，以及容易大面積製作等優點。接著，我們利用高密度電漿蝕刻並通以SF6氣體，蝕刻矽基板表面。最後，我們在矽基板上製作出週期為220nm之奈米孔洞陣列抗反射結構。從實驗結果得知，當我們結構柱高高於500nm時，其反射率可低於1%，在我們製作的樣品中，反射率最好可低至0.58%，而當光源從60度入射時，反射率可低至3.01%。此外，我們也利用原子層沉積法，在結構表面鍍製ZnO薄膜，進一步地降低反射率。由模擬結果得知，當厚度達60nm時，有最佳優化抗反射之特性。我們最後讓一反射率為2.54%之樣品，在鍍製58nm之ZnO後，反射率降至0.83%。我們將抗反射結構應用於太陽能電池上，並將效率從4.311%提升至5.06%。
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本實驗研究著重於反射鏡的光學設計，利用高折射率(TNO)與低折射率(AZO)透明導電膜材料堆疊形成具導電性的布拉格反射鏡。分別運用於藍光LED與紅光LED，並實際做成元件量測。 透明導電膜的製備都在室溫下進行鍍製並且在真空環境下退火370度。在藍光LED部分，以P-GaN/ITO/(TNO/AZO)^4/TNO的設計最佳並實際鍍製反射率可達約81%，電阻率可達到1.453?10-3Ω-cm。模擬P-GaN/ITO/(TNO/AZO)^10/TNO時，反射率約可以達到94%。在紅光LED的部分，P-GaP/ITO/AZO/DBR/Ag的反射鏡設計可以比單純使用銀作為反射鏡反射率來的較高，實際做成元件並量測軸向光強可以發現有效的由478.3mcd提升至508.8mcd，在表面粗化後更是由812mcd提升至902mcd，有效提升軸向光強約11%。
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同時具有單縱模(Single Longitudinal Mode, SLM)及單橫模的雷射具有極窄頻、高強度、高準值性的光源輸出，可被廣泛應用於光譜學、太空遙測和光纖通訊。傳統欲達成單縱模輸出，可使用方法有短共振腔內置一個或數個共振腔(Intra-cavity etalons)作為篩頻元件或是利用Fox-Smith干涉儀的架構[0.1]以共振腔(etalon)選取單頻共振，另外又可由環型共振腔並置入光單通道如法拉第旋轉器(Faraday rotator)，即共振腔內光波以行進波(traveling wave)而非駐波(standing wave)傳遞，藉以抑制同質性拓寬(homogeneous broadening)不可避免因為空間燒洞(spatial-hole burning)所產生的橫模，達到極窄頻單縱模雷射輸出。 上述方法雖可達成極窄頻單縱模輸出，卻不可避免存在如共振腔內元件過多造成較高的端面損耗或環型共振腔架構複雜且架設不易之問題。本論文實驗為以體積全像布拉格光柵(Volume Bragg Grating ,VBG) 取代光參量振盪器(Optical Parametric Oscillator,OPO)的介電質輸出耦合鏡(Dielectric output coupler / Mirror, DM)，可窄化光參量振盪器訊號光之頻寬。在使用較低尖端功率雷射作泵浦光源下，光參量振盪器的增益曲線近似同質性拓寬，若使用電光模態轉換器(Electro-Optic Polarization Mode Converter,EO PMC)調制窄頻寬訊號光的偏振態使往返訊號光偏振態正交，取代傳統複雜元件和架構，以單一元件和線性共振腔達到極窄頻單縱模光參量振盪器。 本論文實驗比較光參量振盪器於駐波操作和電光偏振模態轉換器調制成行進波操作下訊號光之頻譜、模態以及脈寬上之變化。發現操作在行進波條件下，較低增益與相對較高增益頻譜半高寬都有一倍的窄化效果:相對低增益頻譜半高寬從駐波操作下的0.02奈米在行進波操作下窄化至0.01奈米(光譜儀解析極限)，相對高增益頻譜半高寬從0.1奈米窄化至0.05奈米。另外，光參量振盪器的M2值透過電光偏振模態轉換器亦有濾波優化的效果，從駐波操作下的2.47至行進波操作下的1.25。
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本研究主要是以建立一套抗震動的相移式光學薄膜量測系統，可以量測二維的表面輪廓(Surface Profile)、薄膜光學常數和厚度，為一個非破壞性的量測系統。 本量測系統只要是為了取代偏極陣列像素遮罩法(Micro- Polarizer-Array-Pixelated Mask)的相移式光學量測系統，本實驗架設系統，具有相同的量測功能且使用的光學元件也較少。有別以往PZT相移式量測方法，可以避免環境震動的影響且同時具有橢偏儀折射率和厚度的量測功能，又可以量測表面輪廓。 本研究主要是使用空間載頻相移技術在系統中引進一個傾斜量來作為四步相位的量測方法，因此可以得到表面輪廓的資訊。利用多波長的量測方法，使用基因演算法擬合出薄膜的折射率及厚度，結果與橢偏儀比較，有很好的一致性。
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在傳統共焦顯微鏡中，樣本與環境間折射率的不匹配或樣本內的折射率變化皆會引入球面像差，而此球面像差會破壞共焦顯微鏡斷層影像的品質，尤其是對於生物樣本。本研究論文提出極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡的成像理論，並且以實驗驗證此降低樣本引入球面像差的能力。極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡使用日曼雷射為光源，其輸出一道線性極化光子對光束。由於線性極化光子對共路徑傳播與光學外差偵測的特性，極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡具有降低樣本引入球面像差與提升軸向解析度的能力。對一個具有散射特性的樣本進行成像時，極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡基於具有空間同調篩選、極化篩選及空間過濾篩選，亦能降低樣本的散射效應。極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡的實驗已驗證其同時降低樣本引入球面像差與散射效應的能力。此外，實驗上我們比較與討論正交極化與平行極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡的軸向反應曲線，對於引入弱球面像差情況時，平行極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡具有較佳的軸向反應曲線；然而，對於引入強球面像差情況時，正交極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡反而具有較佳的軸向反應曲線。因此，對於生物樣本，藉由選擇適合的極化態極化光子對共焦雷射掃描顯微鏡可以有較佳的軸向反應曲線。
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本研究發展一半解析法以快速計算具有三維金屬與多層介電質組態之表面電漿波導布拉格光柵。相較於全三維數值模擬方法如有限元素法(Finite-Element Method)或時域有限差分法(Finite-Difference-Time-Domain Method)，此半解析法可大幅減少所需之計算時間與計算資源。於此近似過程中，三維電漿子波導布拉格光柵結構之橫向與縱向變化將分別被考慮。首先，將具有對於波導寬度作正弦調變之光柵單位週期切分為數個區段，每一區段皆近似於一直線型之「金屬-多層介電質-金屬」表面電漿波導。利用三維數值方法做模態分析，直線波導之模態分布以及相對應之有效折射率可於考慮電場與磁場之所有分量之計算後獲得。此一包含所有區段之序列可被合成為一個一維多層有損介質光柵。而經轉換後之一維有損多層介質光柵之禁帶與反射率頻譜可利用嚴格之傳輸線法計算而得。 將此半解析法應用於設計以第二階模態合成之表面電漿波導光柵，並且以三維全向量(full-vector)之時域有限差分法及有限元素法做數值模擬驗證。經由數值模擬與半解析法近似結果計算所得之布拉格波長，其誤差值介於0.0012~0.0399，顯示此半解析法具有相當程度之可靠性。對於具有較多週期數量或是利用第三階模態合成之光柵，其結果亦經由模擬取得並於本論文中加以討論。對半解析法所合成之結構稍做調整所得之表面電漿波導光柵具有中心波長位於1540 nm及半高全寬頻寬(full-width-at-half-maximum bandwidth) 12.7 nm之禁帶，且其位於禁帶之傳輸率為17.77%。此波導光柵之總長小於9 另一方面，本研究亦利用模擬熱退火最佳化演算法對以半解析法合成之光柵於三維數值模擬計算中進行最佳化設計。以一具有50 nm之半高全寬頻寬且中心波長位於1550 nm之禁帶為目標頻譜，並要求其傳輸率於通帶與禁帶分別為85%及0%。經由此最佳化之方式，最終可得到最佳化之頻譜其禁帶具有半高全寬頻寬42.6 nm，且其中心波長為1544 nm，於通帶及禁帶則分別具有約80%及4.496%之傳輸率。結果與所設定之目標頻譜相符。
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數位全像術係將傳統全像術之紀錄介質以電子式的感光元件來取代，並能以數值計算的方式來重建物體的波前。數位全像術之優勢在於能將光學平行處理的特點和電子元件結合，達到更為廣泛的應用。 因此，本論文主要探討將數位全像顯微鏡架構微小化的方法。我們利用體積全像光學元件的特性，取代傳統分光鏡，以達到將數位全像顯微鏡的尺寸微小化。另外，當物體非常靠近感光元件時，我們提供了許多方法來取得高解晰度的還原影像，像是：球面波照射光、球面波參考光、線性內插法。最後，並以模擬和實驗來展示此微型化的結果。
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先前研究者利用鈮酸鋰晶體之電光調制機制，改變傳播光的偏振，配合設計滿足特定相位匹配條件的週期性結構，製作一電光偏振濾波器，並用以窄化並調制週期性結構光參量產生/振盪器之寬輸出訊號光波譜，而成功製作出可由外加電場調制其輸出波譜的光參量產生/振盪晶片(第一代)。雖然利用非週期性結構之電光偏振濾波器(第二代)，可以簡化先前雙段週期性式電光偏振制濾波器，但其調制輸出波譜僅限於特定晶片，若要在單一晶片上輸出不同的調制波譜(例如：單波輸出、雙波輸出或三波輸出等)則需要使晶片系統穩定在特定的調制溫度及特定的調制電壓，而使得實際使用上相當困難。 為了改善這個問題，本論文首先改良第二代晶片，利用串接的方式，將多段特定電光濾波器與週期性光參量振盪器結合，使之藉由不同電光濾波器的開/關，以達成在單一晶片上輸出不同調制波譜(方案一、方案二)。 但由於此兩代晶片依舊分為電光調制段與光參量產生段，為了產生特定相位匹配條件，我們必頇要分段溫控，因此，各段的溫控條件，將會決定此光參量振盪晶片輸出訊號光波譜的品質。 因此，在研究後期，我們利用非週期性結構能同時滿足多種相位匹配條件的特性，配合自我調制結構演算法，將電光調制過程與光參量產生過程，整合於單一非週期性晶疇反轉鈮酸鋰晶片中(方案三)，此代晶片有著不頇分段溫控的優點，並由於電場施加在整體晶片上，使整體晶片都具有電光濾波的功能，而大幅減低了電光濾波時所需要的電壓。 最後，我們利用改良之自我調制法，設計出以串接兩片第五代晶片的方式，在不需要分段溫控的條件下，利用分段電控的方式，達成單一晶片得以輸出不同的訊號波譜(方案四)。
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隨著時間的推移與演進，科學與科技的發展有著快速且顯著的進步，而光學薄膜的應用與發展也越來越廣闊。雖然光學薄膜並不十分的起眼，但是在眾多的科學技術以及科技產品中都需要使用到光學薄膜，例如生活中的眼鏡、相機、顯示器、光纖通訊，工業工程上的干涉儀、顯微鏡、半導體曝光機以及軍事上的飛彈、人造衛星……。由此可見，光學薄膜的運用十分廣泛。光學薄膜可以不一定為主角，但一定是不可或缺的關鍵配角。所以要如何製造出高品質的光學薄膜變得是個非常重要的研究課題。 要製造出高品質光學薄膜的關鍵在於該如何有效監控實際的鍍膜情況，並且判斷出精確且合適的停鍍點。現今鍍製光學薄膜大多採用能即時監控薄膜成長中光學成效變化的光學監控。 光學監控所觀測的是樣品穿透率或是反射率的變化，並且以此變化判斷出合適的停鍍點以及誤差補償。傳統光學監控大多採用單波長定值監控法或是廣波域監控法，但是以上兩種光學監控法皆有各自的優缺點。 本研究提出一種新型式的光學監控鍍膜系統(反射係數軌跡監控法)，此系統結合單波長定值監控法具有停鍍點判斷容易之優點，與廣波域監控法能同時一次得到多波長的光學訊息之優點，並且避開各自的缺點，讓鍍膜時能更容易判斷出精確的停鍍點與誤差補償。
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本論文中，我們將提出一個架構用以分析並探討白光 LED 中場之色彩分佈，我們將討論當 LED光源上加上二次光學元件時，黃暈的產生之機制，並希望藉此方法於後續的二次光學設計時，可以在設計時就將會導致黃暈的部分進行優化，以達到色彩高均勻度。 在文章中，我們將先對用來量測空間色彩分佈的光譜儀進行校正，接下來針對碗杯型式的封裝體之 LED空間中的色彩變化進行分析，我們使用已建構之YAG螢光粉模型在相同螢光粉濃度下，分別在有無半球形透鏡的條件下建立藍黃光之光學模型，並以實驗驗證其準確性。接著討論將光源加上二次光學透鏡之色彩分佈，並以實驗驗證建立之藍黃光光學模型可用於分析色彩均勻度。而在文章的最後，我們將討論兩種白光 LED 的藍黃光之中場距離分佈。