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銣原子團之非破壞性相位移成像研究

本論文的研究工作主要是利用Mach-Zehnder干涉儀，並結合相位移干涉術，達成對磁光阱中所捕獲之銣原子的非破壞性、無透鏡式成像。此一成像方式的優點為不需加入透鏡。因此，可以避免因透鏡所造成的任何相差。此外，因該成像屬於雙光束方式，因此可以藉由光強較強的參考光束增強整體干涉訊號，以便使用極弱的探測光便可以對冷原子樣本達成高訊噪比成像。 無透鏡式成像方法，主要利用遠離原子共振頻率之雷射光通過冷原子與自由空間之兩束光的遠場干涉訊號，藉由CCD相機擷取後，重建冷原子的近場相位影像。並由此還原出冷原子之空間密度分佈。利用相位移干涉術，並經由干涉儀來確定探測光的相位，擷取探測光通過冷原子產生額外的相位變化與沒有通過原子的參考光干涉後成像於CCD相機。此法主要將參考光及探測光的干涉訊號分別調在0度、90度、180度、270度，取出四張遠場干涉影像，藉此回推出冷原子團的空間密度分佈。 本實驗中，除建立相位移干涉術之系統量測銣原子團樣本，我們並從已知的實驗參數與理論模擬做匹配來驗證成像方法。該理論模擬部分已由本實驗室陳竑學學長完成。本實驗則證實該理論之預測，而實驗結果亦證實該非破壞性、無透鏡式的冷原子成像法。

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利用高斯分解法處理波前被扭曲了的高斯電場的傳播

任何波動都以繞射方式傳播。海更士原理（Huygen's principle）根據波動的繞射原理推導出Huygens-Fresnel公式，以定量方式處理各種波動的傳播。根據Huygens-Fresnel公式，當一個TEM00 mode的單頻雷射脈衝沿某一方向(設為+z)的傳播時，雖其電場強度與相位都隨z的改變而改變，但此脈衝始終維持TEM00模態，意即在每一個z位置上其電場強度與相位都對側向距離r (lateral distance relative to the beam center)呈現高斯分布，且其分布寬窄隨z變化的情形都可透過簡單的函數加以描述。 當我們用TEM00模態的單頻雷射脈衝去調查材料的非線性吸收與折射性質時，需處理通過樣品後的雷射脈衝的傳遞。因為非線性吸收與折射會改變入射脈衝的電場強度與相位對r的分布，使不再呈現高斯分布。為此，我們將不再能直接用上段所提的簡單函數關係來處理通過樣品後的雷射脈衝的傳遞，而必須將樣品出光面處的電場(含強度與相位)帶入Huygens-Fresnel公式，用以計算樣品後某一z位置處的電場。在本論文中，我們所在意的z位置是探頭前孔徑所在的位置。 在本論文中，我們使用高斯分解法(Gaussian decomposition)將樣品出光面處的雷射脈衝電場(不再具有TEM00模態)分解成一系列束腰處光斑半徑不同的TEM00模態電場之合，然後將此系列中每一項TEM00模態電場帶入Huygens- Fresnel公式，用以計算在樣品後各z位置的對應電場(具有TEM00 模態)，最後再將所有在z位置處的TEM00 模態電場相加，使得到z位置處的總電場(不具有TEM00模態)。 藉比較將扭曲了的電場直接帶入Huygens-Fresnel公式並輔以數值計算，而得到的z位置處電場與由高斯分解法所得到的z位置處電場，我們可驗證高斯分解法的精確度。結果，我們發現，當樣品非線性吸收或折射效應增加時，我們需保留較多的項數才能精確地描述z位置處的點場。另外，我們也系統性地調查需保留的項數如何隨光強與相位被扭曲程度的增加而增加。 傳統高斯分解法只將樣品出光處的脈衝電場分解成兩項TEM00模態電場之合，因此只能處理波前被扭曲小於pi的單頻高斯電場的傳播。相對地，我們可將樣品出光處的脈衝電場分解成無限多項TEM00模態電場之合，因此可處理波前被扭曲遠大於pi的單頻高斯電場的傳播。

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修飾奈米金粒子之三維高分子立體結構之表面增強拉曼光譜研究

拉曼光譜是研究分子結構的重要工具，但因為訊號微弱，所以在應用上受到很大的限制。故利用金屬奈米粒子與表面結構的電場強化，來增強拉曼散射訊號就成了主要的研究方向。 本論文中，利用雙光束干涉技術，藉由堆疊多層一維週期性結構去製作出三維立體結構，並利用化學修飾法，將奈米金粒子均勻修飾於三維立體結構上。藉由三維結構的骨架，可以大幅增加奈米金粒子之單位體積密度，並可有效提升表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering，SERS)光譜訊號。此種有修飾奈米金粒子之三維立體結構可作為SERS基板，其主要影響因素是奈米金粒子密度改變進而提升SERS訊號，故可加以改善結構使訊號更良好。

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自組裝銀帽對二氧化矽奈米球光子晶體之光學性質改變

我們製作二氧化矽蛋白石光子晶體，並在其表面以斜向蒸鍍銀膜的方式及退火處理形成的銀帽結構。光子晶體表面的奈米銀帽結構抑制其光子能隙波長高反射率，形成異常低反射波段 (reflection dip)。數值模擬計算之結果，顯示奈米銀帽吸收入射光形成表面電漿因而抑制光子晶體在光子能隙之高反射率。

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Excitation and Interaction of Surface Plasmonic Waves with Nanostructures on Silver Surfaces

我們對表面電漿波在銀表面的激發及與三維結構的交互作用進行研究，藉由雷射聚焦至以電子束顯影所製作的溝槽結構激發表面電漿，並以近場顯微鏡觀測表面電漿之傳播，我們以定量分析溝槽寬度及長度對於表面電漿之影響。我們觀測表面電漿波的波前在經過凹陷及缺陷的微米尺度孔洞時所產生的交互作用。

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Enhancement of Molecular Fluorescence and Graphene Raman Signal with Ag Nanostructures Using Graphene as Spacer Layer

我們在ITO基板上製作銀平台，將單層石墨烯或雙層石墨烯轉印於銀平台之上，並蒸鍍銀粒子在石墨烯上方，使樣品呈Ag-Graphene-Ag Pad三明治結構，本實驗主要以改變石墨烯上的銀膜厚度和樣品是否有經過退火處理，觀察石墨烯的拉曼光譜變化，之後，在樣品上塗佈Cy3螢光分子，做螢光強度量測。

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銣原子之表面磁光阱

本論文主要是利用雷射冷卻與捕獲 (laser cooling and trapping) 的 方式及原子晶片 (atom chip )系統來取得銣冷原子樣本,使其方便做冷原 子的探討與研究。以往捕捉冷原子的系統架設過於龐大複雜,所以我們 建立一套由磁光阱(magneto-optical trap) 和原子晶片式的表面磁光阱 (surface MOT) 共組系統使其精簡化。利用原子晶片上的導線設計,架 構出磁阱(magnetic trap),大幅縮減原子冷卻捕捉的系統大小。 實驗上,磁光阱是以紅調變 (red-detuned) 雷射光束的散射力 (scattering force) 來冷卻原子;利用光的旋性和外加反向電流線圈 (anti-Helmholtz Coil) 所產稱的四極磁場 (quadrupole magnetic field) 梯 度產生在位置上的侷限以捕獲它們。利用三對互相對打的光束在相空間 中三個維度上使其受到侷限。而鏡像磁光阱是利用原子晶片的鏡像反射 來減少光束的需求。本實驗中,為確認光源條件正確,我們在系統中, 除原子晶片之外,也同時設置另一獨立之磁光阱。該磁光阱亦可利用高 功率雷射來作光偶極阱。當光源條件確認無誤後,我們利用可切換式的 光路設計將光源導入表面磁光阱的冷原子團。 一旦表面磁光阱在原子晶片上捕捉到冷原子團,利用電腦控制晶片 導線上的電流,進行表面磁光阱之蒸發冷卻。並在未來架設邁克生干涉 儀(Michelson interferometer)中,利用相位移干涉法 (phase shifting interferometry) 來探測冷原子。本論文中將詳述原子晶片實驗之設置、 方法、以及目前實驗結果。

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探討雷射光刺激對神經母細胞瘤造成軸突回縮之效應

細胞運動對於研究細胞行為是非常重要的主題。目前在細胞運動的研究領域中，大多數研究團隊是對細胞施以化學藥物並觀察細胞對此刺激之反應，然而物理性刺激引發的細胞運動就比較不為人所了解。一個有趣的研究主題是神經細胞軸突(neurite)之伸長或收縮運動對物理性刺激的反應，有助於科學家開發新的神經修復或再生(neurogenesis)技術。 在本論文中，我們利用波長473 nm的藍光光點刺激老鼠神經母細胞瘤之軸突，觀察到細胞軸突會朝向胞體(soma)回縮，或者是胞體朝向光照位置移動而縮短軸突長度。利用本實驗室發展之非干涉式廣視野光學測繪術對細胞膜的表面形貌進行測繪，我們同時測量了神經母細胞瘤的細胞膜粗糙度。我們將藍光光點引發的軸突回縮現象與細胞膜粗糙度互相對照，發現在細胞被藍光照射引發軸突縮短時，胞體上的細胞膜粗糙度有上升的趨勢，可能代表胞體的硬度降低以促進軸突縮短。而在對細胞分別以blebbistatin及monastrol進行前處理後，被藍光照射之細胞軸突將不再回縮，部分軸突會斷裂並殘留於基板上。由此可知藍光刺激所引發的軸突回縮現象由第二型肌動蛋白(myosin II)及第五型驅動蛋白(kinesin V)協同主導，且若其中一項蛋白被抑制後，軸突將失去運動能力，無法進行軸突回縮。 相較於原子力顯微鏡，非干涉式廣視野光學測繪術使用光作為探測工具，屬於非侵入式的量測方式。此方式可量測到細胞膜細微的表面高度變化，對外在刺激具有極為敏銳的感測度，因此提供除了細胞的外在形貌、螢光表現、物理性質之外，另一種細胞診斷參數。我們也利用此技術量測神經母細胞瘤受類澱粉樣蛋白纖維(amyloid-beta fibril)刺激後之細胞膜粗糙度，發現細胞膜粗糙度會下降。受類澱粉樣蛋白纖維處理後的細胞存活率稍低，細胞內活性氧物質含量較高。然而，實驗組與控制組細胞在存活率上並無顯著差異，而細胞膜粗糙度卻有顯著差異，代表在類澱粉樣蛋白刺激下，細胞膜粗糙度具有較高的敏感度。這是以細胞膜粗糙度作為細胞診斷參數的另一個實例。

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應用導模共振光柵結構提升稀土奈米粒子 之上轉換螢光訊號

本論文藉由一維導模共振光柵結構(resonance waveguide grating,RWG)的導模共振效應(guided mode resonance, GMR)提升上轉換螢光材料(up conversion)的螢光輸出，這類型的上轉換螢光材料是一種稀土元素(rare Earth, RE)的發光材料，它能夠通過多光子吸收機制將低頻率的激發光轉成高頻率的發射光。整體導模共振光柵結構的組成為:低折射率的SU8光柵層，濺鍍上高折射率材料TiO2 的波導層，最後旋轉塗佈上轉換螢光材料NaYF4:Yb3+,Tm3+的壓克力(poly-methyl-methacrylate, PMMA)薄膜，實驗中將近紅外的激發光和上轉換材料的螢光匹配到導模共振效應的模態，可以產生很強的上轉換材料螢光訊號增益，在激發共振和螢光萃取共振同時發生的條件下，螢光增益可達104 倍，且藉由嚴格耦合波理論(rigorous coupled-wave analysis, RCWA)得知導模共振效應會使TiO2波導層和空氣介面形成局部強場(Strong local field)，使介面激發光電場強度提升進而增強螢光訊號輸出,並藉由導模共振效應特定角度的低穿透、強反射效應，可共振萃取上轉換材料的螢光訊號萃取可近一步的增強螢光輸出。

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流水混流之非線性現象

本研究要研究不可壓縮流體匯流的現象。在封閉管內流體的流量與管面積、壓力、出水孔大小有關，然而改變出水口的面積大小，使流體匯流之後的總流量改變，混管的比例出現非線性現象，也就是說，混管的比例，會隨著為總流量改變而變化。從我們的實驗中找出兩水管混流之後，其混合比例與出水口面積大小的關係，並驗證兩水管混流並非由兩個單一管管流的線性疊加。 從實驗中觀察得知，當兩個入水孔徑不同的管道混流後，若出水口的截面積發生變化時，兩入水口混合比例會偏向其中一個入水口，表示當在下游發生變化，便會影響上游各支流的水流量。藉由這個研究，若能了解下游的變化，便能預測上游混流後的流量比例，應用在各種混流有關的系統上。