學位論文
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Item 石墨烯與光子晶體共振腔結構之表面電漿探討及其在生醫感測的應用(2021) 鄭宜陞; Cheng, Yi-Sheng近年來，光學感測器對於生醫相關檢測的應用逐漸受到重視，其快速、便利及其非破壞性的檢測方式是其一大優勢，此外，觀察物質的光學特性也為檢測提供了另一個判斷的依據，特別是藉由侷限表面電漿能量的奈米結構更是在生醫感測的領域被廣為應用。本論文以有限元素法針對光子晶體結構結合石墨烯的表面電漿的光學感測器進行設計與應用。所設計的感測器類型為擁有高度電可調性的混合電漿生物感測器，可用於辨識中紅外波段範圍內的蛋白質分子指紋。此類型元件設計由一個光子能隙結構和一個以缺陷形成的共振腔組成，以此將電漿能量限制在共振腔內，實現光與分析物之間的強交互作用，而單層的石墨烯佈置於腔體結構中，除了能夠增強表面電漿的效應之外，也提供了元件的電性可調能力，藉由在腔體中填滿欲分析之物質以進行感測。此外，也藉由不同材料特性的搭配及石墨烯所佈置的範圍作了兩種設計，文中也針對此兩種不同設計的結果深入探討。設計的元件具有很高的等效靈敏度，而等效靈敏度的定義為在將分析物添加到腔體中時共振頻率偏移對應於等效折射率所變化之比例，而等效折射率是同時考慮到腔體結構和分析物的光學特性所影響的參數，不同於其他感測器只考慮了物質折射率變化，為本文的特點之一。而此類型元件另一個優點就是透過向石墨烯施加不同的偏壓來實現廣範圍的電可調性，以此可以調整腔體的等效折射率來提高針對非預設目標分析物的靈敏度。此類型元件的結構概念是依據光子理論所設計，並可透過由下而上的生長的薄膜製程及蝕刻技術來完成元件的製作，此研究結果預期對於微奈米尺度生物樣品的識別和紅外光學感測器是有益的。Item 超穎材料傳輸線模型與光子晶體之計算(2009) 葉大為; Da-Wei Yeh本文著筆研究於超潁材料所組成的一維光子晶體，此光子晶體所產生的能隙現象在本文有做深入的探討與研究，我們所謂的超穎材料是指材料參數中介電常數和導磁常數之其一常數為負值，而另一個常數為正值的材料，此單一材料參數為負值所組成的光子晶體我們簡稱SNG，接著我們考慮材料的厚度比例對於能隙的邊界和禁帶的頻寬所產生之影響，我們簡單的結合左手傳輸線理論，利用近似的方式，有效的利用厚度變化來描述能隙邊界與寬度變化的趨勢，並且討論加入損耗後所造成的影響。 除此之外，我們也利用阻抗匹配的理論去討論不同角度入射對於能隙的寬度所產生的影響，並做理論上的分析，然而一樣是用單一負值的材料參數所組成的光子晶體，我們討論這兩種極化模態的穿透光譜，當然主要的討論方向為不同的角度和不同的極化模態所產生的能隙禁帶大小變化，接著我們成功的利用(k2/k1)參數去討論厚度和角度的變化與能隙的關係，在此篇論文中我們有清楚的定義，此參數是利用不同角度在阻抗匹配狀態下所計算出的波向量比例關係，利用這個比例關係我們可以清楚的解釋在不同模態下，角度改變造成光子晶體能隙的禁帶大小跟著改變的傾向，而這個比例關係也可以用於解釋厚度變化所導致禁帶大小和能隙邊界的變化情形，此研究結果對於研究單一負值的材料所組成的光子晶體具有相當幫助。Item 一維光子晶體光電特性之研究(2009) 朱柏翰Abstract Photonic crystals (PCs) are periodic structures made of materials with different refractive indices. With their interesting and amazing electromagnetic properties, research on PCs continues to be a hot issue in photonics in recent years. The main feature of PCs is that they can prohibit the propagation of electromagnetic waves within a certain frequency range called photonic band gap (PBG). The materials containing PBG have many potential applications in optoelectronics and optical communication. For instance, a dielectric layered structure can be used to design as a Fabry-Perot interferometer, dielectric reflectors, and antireflection coating. In this thesis, we study the electromagnetic and optical properties of PCs by using the transfer matrix method (TMM).The thesis consists of six chapters. The first chapter is to give a brief review of PCs. The second describes the theoretical background that will be used in our calculation. Some topics under study are given in chapter 3, 4, 5. The conclusion is summarized in chapter 6. In our considered topics, we first give a theoretical analysis of optical reflection for a dielectric chirped distributed Bragg reflector (DBR). The chirped DBR is modeled by several sub-DBRs stacked successively with different values in the thickness ratio. We demonstrate how a chirped structure can affect the photonic bandgaps (PBGs). In the second one, we shall design a multilayer Fabry-Perot resonator (FPR) which is formed by taking the left-handed material (LHM) as the structure defect in a one-dimensional PC. We find some useful design rules for a FPR made by the quarter-wave stacks. In the third topic, we theoretically studied the omnidirectional total reflection frequency range of a multilayered dielectric heterostructures.Item 光子晶體負折射特性研究(2008) 吳晉陽; J. Y. Wu鑒於目前利用薄膜製程及電子束蝕刻技術所製作之可見光波段的光子晶體，因尺寸極小，在製作及量測上均不易精確。因此，本研究乃嘗試利用光子晶體尺寸與能隙頻段呈正比的關係，製作出週期為毫米(mm)等級之微波波段光子晶體，並建立一套微波量測系統。 本研究係以石墨棒組成填充函數0.22672之六角型結構光子晶體、共振腔、稜鏡…等光子晶體元件，量測其能隙、共振頻率、折射角、色散關係曲線…等物理量，以探討光子晶體的負折射特性。並以連續微波及調幅微波作為波源，比較兩者穿透光子晶體稜鏡之訊號差異。此外，本研究進一步應用負折射色散關係，製作出微波波段的分波多工器及聚焦透鏡。 由研究結果顯示，連續微波之負折射現象發生在微波光子晶體能隙的上緣頻段8.2GHz以上，並發現愈接近光子晶體能隙之頻率，其負折射率愈大，而調幅微波之負折射特性與連續微波者相似。 研究結果亦証實，利用稜鏡結構及光子晶體之色散關係所製作之微波波段分波多工器，確實可將不同頻率的微波導向不同方向，具備分波多工的功能。另外，由穿透強度分佈之量測結果，可明顯觀察到平面波微波聚焦的現象，藉以判斷光子晶體平凹透鏡具有聚焦功能。Item 金屬與介電質層狀結構光學性質分析之研究(2017) 余宗; Yu, Zong摘要 在本篇論文我們將探討金和鋁與介電(SnSe〖、N〗_a3 AlF_6)薄膜的光學特性。首先會先介紹分析薄膜特性的方法:轉移矩陣法，再利用模擬軟體(MathCad、Sigmaplot)作圖。 第一部分為光子晶體的結構，第二部分為摻雜結構，不同結構我們都會比較其TE和TM波改變角度和改變厚度後的特性，其中TE波與入射角度有相聯關係，所以我們在比較不同厚度時，為了簡化其複雜性，都將入射角設定為0°，我們將可以發現隨著入射光角度加大能隙寬度和能隙寬度會往高頻區移動，在第二部分摻雜結構中可以發現能隙會有缺陷。 關鍵字: 光子晶體、光子能隙、缺陷結構Item 本質與外質電漿光子晶體光學性質之研究(2015) 李祥均; Lee, Hsiang-Chun本論文探討以電漿做為介質的光子晶體相關結構光學性質，主要以轉移矩陣法(Transfer matrix method, TMM)做計算及模擬，論文分三個主題。 主題一討論電磁波於電漿結構中利用表面電漿共振(Surface Polariton Resonance, SPR)的傳輸情形，電漿結構原本因入射電磁波頻率低於電漿頻率而產生屏蔽效應，然而利用表面共振的特性得以進行傳輸，接著探討結構變化對表面電漿共振的影響。 主題二討論可調式外質電漿光子晶體，利用外部電磁場的改變來實現不同的光學性質及缺陷模，其特色在於能在不改變結構的前提下完成各式調變。 主題三利用介電質-電漿光子晶體設計多通道濾波器，探討結構變化對濾波特性的改變，接著討論結構的光子能隙及調變方法。Item 介電質光子晶體反射性質之研究(2015) 李昆哲; Lee, Kun-Zhe本篇論文旨在討論介電質光子晶體的反射性質，共有四大主題。第一，吾人藉由不同材料，來探討其橫向電波與橫向磁波的最大反射差，並找出其對應的入射角。第二，我們利用串接法來擴大一維光子晶體的全方向反射區域，並透過不同的串接排序，試圖找出最有效的擴大方式。其次，我們利用量子井來擴大一維光子晶體的全方向反射區域，我們發現透過這樣的方法，確實可以達到擴大的效果，但是有其極限。最後，同樣是利用量子井的概念，一維光子晶體可以設計出多通道濾波器，藉以使用在通訊系統上。