～ 2013学年度光电所所学会会长自我介绍 ～

光电所的各位师长、同学大家好！我是2013学年度的所学会会长陈廷豪，很开心也很荣幸可以担任会长替大家服务。

研究所的所学会与大学部的系学会我认为有些微的不同，研究所是以实验室为一个群体，每个群体几乎是各自独立。即使台大光电所硕士班一届约100人左右，等到毕业后，能达到点头之交的又有几个？虽然先天上把所上的同学分成一个一个群体，但我们所学会的目的无非就是要打破这个限制，增加所上同学之间的交流。我们希望藉由办活动的方式来拉近所上同学之间的感情，从上学期的餐会到下学期的光电杯，我们衷心的期望光电所可以成为一个欢乐的大家庭，而这也是我任内想要积极达到的。

时光飞逝，回想当初加入所学会是为了认识更多朋友，想要扩张交友圈而不是仅仅只是跟自己实验室的同学熟而已，就这样我来到所学会。随着参与所学会办的大大小小活动，我一直觉得当初加入所学会真是对极了，所学会的大家都很优秀，效率高执行力也高，当看到所上的大家尽情参与活动，所学会所做的努力也就值得了。

目前所学会仍有很大的进步空间，需要优秀的所上同学一起来努力，欢迎不论是研究所的新生或是旧生加入所学会，我谨代表所学会诚挚地邀请您加入，我的研究室在明达馆520室，有兴趣跟我聊一聊或是有任何问题，欢迎来找我。最后感谢所办小姐们的大力相挺，减少我们不少的负担。感谢我的指导教授吴志毅教授这么支持我。更感谢所学会带给我美好的回忆。

伊拉斯莫斯世界（Erasmus Mundus; EM）计划，是欧盟所推动的高等教育标准统合及质量提升计划，在此计划下有超过100个不同领域的欧盟硕士学位课程，此计划除了促进欧盟会员国高等教育质量的提升，亦积极促进与非会员国顶尖大学的合作，第一期计划由2006年至2010年，第二期计划由2011年至2015年。在第二期，欧盟亦首度开放非会员国大学加入成为正式伙伴学校，联合授予学位，本所在第二期加入了European Master of Science in Photonics (EMSP)（即第一期原Erasmus Mundus MSc in Photonics (EMMP)），与比利时Ghent University、Vrije Universiteit Brussel，和英国St Andrews University等校共同推动硕士双学位计划。

2012年9月，第二届参与本计划的光电所硕士班学生吕韦辰，前往英国St Andrews University和比利时Vrije Universiteit Brussel (VUB)，展开在EMSP课程中为期一年的修业生活。为了让对本计划有兴趣的同学能更深切了解出国进修的学业与生活点滴，本次系列报导特别邀请吕同学撰文，将他这一年来的所见所闻分享给大家，丰富内容将从本期开始分次于中文版所讯上完整刊登，敬请期待。

 

撰文：光电所硕士班学生吕韦辰

【之一】

在2012年9月有幸能参与光电所和欧盟EMSP (European Master of Science in Photonics)所举办硕士双学位研读计划，我是第二届参与计划的学生吕韦辰。与第一届举办模式不同的地方在于，我们在国外一年的期间会分别到不同的两间学校修课以及做论文研究。在上学期时 （9月~12月）是到英国苏格兰的圣安德鲁斯大学（University of St Andrews），而下学期（1月~6月）则是到其它EMSP合作学校，例如比利时的根特大学 （Ghent University）、布鲁塞尔自由大学（Vrije Universiteit Brussel）、瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、瑞典的皇家理工学院（Royal Institute of Technology）等，进行论文研究以及完成论文。

论文题目以及论文研究的学校落点，在出国前就会由这计划的助理Bert Coryn整理好后寄给参与计划的学生选择。我选择到位于比利时首都布鲁塞尔的自由大学（VUB）做论文研究。虽然因此必须要从英国带着笨重的行李迁移到比利时，但也因而让我有机会到不同国家不同学校去体验他们的特色以及生活模式。

St Andrews University在台湾的名声并不响亮，大多数人知道的莫过于英国牛津大学（Oxford University）和剑桥大学（Cambridge University）。然而St Andrews大学在英国的历史却仅次于牛津以及剑桥大学，而且是苏格兰最古老的大学。建于公元1413年的St Andrews大学在今年（2013年）恰好度过建校600周年生日，当然学校也举办盛大校庆活动来庆祝这划时代的一年。

当地学生庆祝600周年校庆	在St Andrews有多年历史的Foam fight

这所学校的名气之所以响亮不仅于此，让它能在广大英国人民印象中留下深刻印记的原因在于英国威廉王子和凯特王妃就是在St Andrews大学读书时认识进而交往的。另外，大学所在的St Andrews小镇更是高尔夫球运动的发源地。古老的Old Course球场除了是公开赛的比赛场地，也大概是许多高尔夫球迷梦寐以求想拜访的地方。这一年中，在奥运游泳竞赛中多次夺得金牌的泳将菲尔普斯、美国前总统柯林顿都曾到这个球场打球，想要跟电视上才看得到的名人见面，来此处读书绝对是个不错的选择。由于悠久的历史，St Andrews大学也保留不少传统，像是最有特色的学生红袍；除此之外，每年进来的大一新生会寻找大三以上的学长姊作为自己的父母，学长姊除了可以带领大一新生更熟悉学校环境外，也能让新生有机会拓展社交圈。在这边虽然只有短短的三个月，却也让我感受到英国人做事情严谨、有条不紊的态度。记得在入学前的新生注册跟学校事务的办理方面，St Andrews大学都会提供完善的信息和详细的步骤，让第一次出国读书的我们能有效率地完成该做的事。此外，学校的硬件设施跟休闲空间也规划得很好，像是图书馆除了提供个人看书区域外，也有一层楼的空间是开放可以讲话讨论的，另外也提供许多公用计算机给学生使用。整体来说，这间学校除了地点较偏远之外，其它方面是相当令人满意的。

结束在St Andrews修课的一学期后，来年一月我来到位于比利时的布鲁塞尔自由大学（VUB）。先来介绍一下比利时。因为与邻近国家接壤的关系，比利时的官方语言有三种，分别是荷兰语、法语和较少人讲的德语。也因此比利时的学校分成荷语学校和法语学校，而VUB就是荷语的自由大学（法语的自由大学ULB就座落在VUB旁边，以前两间是同所学校）。荷语学校顾名思义就是学校内以荷语为主，当然法语学校就是法文。但相对于法语学校，荷语学校里面不管是行政人员、教职员或是学生，英语都说得非常好，所以沟通绝不会有问题。VUB成立的时间相当短，1970年时才从ULB分出来，不过学校内光电领域的团队B-Phot在欧洲已小有名气。整个团队包含教授学生约50个人，每个教授之间的合作很频繁，一个学生有不同教授共同指导也是常见的事。VUB校园不大，不同栋建筑是以英文大写字母来作区隔，例如A栋、E栋等。建筑物外观以水泥外墙为主，并没有多余的修饰，冬天的时候由于树木干枯加上地上的积雪，会显得校园有些冷清凄凉。但校园在大城市布鲁塞尔，且学校旁边就有公交车、电车甚至火车站，要去其它地方还是很方便的。【精彩内容，下期待续～】

姓名：萧惠心   指导教授：张宏钧教授

摘要

周期性孔洞之异常穿透现象主要由表面电磁模态(surface electromagnetic modes)、伍德奇变(Wood’s anomalies)和孔形共振(shape resonances)三种机制混杂而形成复杂的频谱特征。由周期性U形渐变到H形孔洞结构出发(图一a)，分析其穿透频谱与近场分布之关联，我们发现对于伍德奇变而言，其平行入射光行径方向之电场分量(Ez)，在孔洞附近之相位分布十分均匀(图一b)，与理论分析上其成因为同调性的多重散射不谋而合；相对地对于表面电磁模态而言，其Ez场在孔洞附近之相位分布则有较大的变化(图一c)，此现象与散射光和表面电磁模态在孔洞附近耦合而导致较高穿透率有关。此外，我们发现Ez场的相位在孔形共振的有效共振路径范围内，对于孔洞的宽度有180度的对称性(图二)，利用此特征结合电磁场所需满足的特定对称性，我们可以用来预测复杂孔洞结构中之孔形共振，预测的结果与模拟结果十分吻合，接着利用矩形波导近似公式(λres = 2neffLres/m，其中为等效折射率，Lres 为有效共振路径, 而m为一整数)，我们可以进而估计共振波长。 图一、(a) U形渐变到H形之周期性孔洞结构。 (b)伍德奇变与(c)表面电磁模态之Ez场相位分布 图二、孔形共振之Ez场相位分布

论文题目：以光辅助电化学技术剥离蓝宝石基板供垂直型发光二极管制作

姓名：谢劼   指导教授：杨志忠教授

摘要

在本研究中，我们展示了利用光辅助电化学蚀刻法(photoelectrochemical etching)来实现一个低成本，大面积且有效率剥离蓝宝石基板的方法。首先，我们制作一维条纹状沟槽结构的图案化蓝宝石基板(patterned sapphire substrate)，然后，在长晶的过程中，这些沟槽可以保留并且形成通道(如图一所示)。光辅助电化学电解质溶液则可以顺着通道流入并且蚀刻氮化镓层的底部，进而将氮化镓和蓝宝石基板分离。配合组件隔离步骤，利用光辅助电化学来剥离四分之一晶圆大小的图案化蓝宝石基板只需要八分钟。剥离后，将样品研磨至n-型氮化镓层，即可制作垂直式发光二极管，在本研究中，我们也比较了垂直式发光二极管和传统侧向式发光二极管的各项特性(如图二所示)。 此外，我们藉由调整长晶参数，来消除原本在成长时所产生的缝隙并且进一步改善晶体质量。同时我们利用非破坏性的光学同调断层扫描技术(optical coherence tomography)来检测在氮化镓层下方是否确实产生通道。接下来，我们利用氙气灯做为光辅助电化学蚀刻的光源，配合组件隔离(device isolation)步骤，成功将一整片两吋的蓝宝石基板剥离。为了更进一步提升剥离基板的效率，我们成功地制作了二维结构的图案化蓝宝石基板，并且在其上成长氮化镓层时保留底下的通道。我们利用一个紫外光发光二极管数组作为光源，在没使用组件隔离步骤之条件下，也成功剥离了一整片两吋大小的二维图案化蓝宝石基板。 图一 图二

— 资料提供：影像显示科技知识平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理：林晃岩教授、聂旸 —

奈米共振腔的柏赛尔因子

激发态的生命周期不是量子系统中固有的特性，费米黄金定律指出它和环境中光子能态密度的电磁交互作用有着强烈的关系，而这些局域性的光子能态密度不只影响了自发辐射，它还影响了许多有关光与物质交互作用的一些过程，这种交互作用对一些基础以及应用层面的研究有着深远的影响，因此，经过几十年后，科学家以及工程师已经想到了许多方法来控制局域性光子能态密度，而在这些方法中，共振腔应该是最广为人知的其中一种方法。

1946年Edward Mills Purcell介绍了用来计算在无线电频段下自发辐射衰减的加速度一个简单的式子，这个被称为柏赛尔因子(Purcell factor)的表达式说明了局域性光子能态密度和共振腔中质量因子(Q-factor)与模态体积(mode volume, V)的比值有关。质量因子代表光子在一段时间下的局限性，而体积则是代表空间中光子的局限性，因此柏赛尔因子是基于物理直观又重要的参数，由于质量因子以及不同模态下的体积都可以分别地被算出来，所以它在控制以及帮助我们了解共振腔中物质与光波的交互作用是一个很有用的工具，然而，现在光学组件朝着小尺寸发展，因此柏赛尔因子对于现在奈米结构下的分析可能不太适当。

Christophe Sauvan与他的同事(Phys. Rev. Lett. 110, 237401, 2013)对于柏赛尔效应提供了一个更广义的公式，更重要的是，其公式适当地解释了在奈米共振腔中不可忽略的吸收与辐射等问题。

这个理论主要是依据准正交模态(quasi-normal mode)的概念，也就是马克斯威尔方程式中随时间衰减的解，在他们的工作里最主要的假设就是任一电场可以分解成这些模态的组合，因此这方法不适合用在强烈耦合至连续发射谱，有趣的是，这新的表达式在量子系统中与准正交模态的耦合结果正是原本柏赛尔因子中的Q/V取实部而已，而这解释了色散以及吸收物质的特性，而这公式和数值方法计算出来的结果几乎是相符的，所以它对于奈米光学中光与物质交互作用提供了一个新的观点。

经过几十年，柏赛尔因子已经被用来解释共振腔相关的交互作用，它基本上就是共振腔中局域性光子能态密度与真空中局域性光子能态密度的比值，在任一个电磁环境下，局域性光子能态密度可以由电磁波的格林张量中取虚部算出来，这方法已经被用在计算金属奈米球和介电质界面的自发辐射，然而事实上金属奈米球与奈米结构可被视为奈米共振腔，启发了科学家利用柏赛尔因子量化局域性光子能态密度的改变。

奈米共振腔是一个尺寸大约在100奈米的次波长金属介电质结构，他们的质量因子与模态体积可以经由适当的设计来达成，除此之外，奈米共振腔提供很高的电场局限性，但是因为材料的吸收以及辐射损耗所以相对地会有较低的质量因子，这些损耗和一开始推导柏赛尔因子的假设互相矛盾；此外在奈米结构下它的模态体积充满不确定性，这会造成算出来的柏赛尔因子会与实际状况下差好几个量级。

因为无法准确地计算它的模态体积所以在这里造成了主要障碍，但是Sauvan与他的同事已经由第一原理克服这个难题，他们将电磁场看成由许多准正交模的迭加，其正规化是根据包含完美匹配层于积分体积中。这种人工材料先前已经被用在没有杂散反射的情况下减少计算范围，Sauvan指出这些材料能展现出更丰富且更有用的概念，此外，他们这些基于准正交模的公式即使在单模态下仍能描述它的干涉及色散行为。

对于奈米共振腔中，修正后的柏赛尔因子可以帮助设计它的尺寸，并且提供了半解析模型以分析共振腔有关的物理过程(例如自发辐射的衰减、非线性效应、激光)，最有趣的问题就是关于共振腔的最基本限制，在达成预期的光与物质交互作用的增益下共振腔最小的尺寸是多少？存不存在应用于奈米结构共振腔下的尺寸定理？

这个问题藉由Sauvan的结果以及应用在奈米共振腔的小型天线理论，可以轻易的解决，后者的理论是说一个可用于建立天线系统的空间，对于它的辐射特性是有基本的限制，更精确来讲，质量因子最后会反比于天线的体积，此外，由于当共振腔尺寸变小后它的电磁场就被局限的更多，所以质量因子和模态体积的关系不再是互相独立的，而这种相依的关系在设计奈米共振腔时就要被考虑进去。结论就是，柏赛尔因子会随着体积平方成反比的关系，造成自发辐射的衰减效率可以有很大的提升。

很巧的，这正是柏赛尔在当时工作中所讨论的情形，他提出一个具有半径为无线电波波长百万分之一的金属小球，假设是一个非共振系统然后质量因子等于1，照理说他计算出的增益结果应该要反比于小球的体积，然而，在他考虑的尺寸下，实际上质量因子也会反比于小球的体积，而这造成的结果就是他原本计算出来的值会比实际情况下的值还要小几个量级，因此如果要达到相同增益就要用尺寸更大的共振腔。

这个例子说明柏赛尔因子在次波长系统下了解光与物质交互作用的关系是一个很有用的工具，它同时也是一个特别的方法制作一个微小共振腔来了解奈米等级下共振腔的一些物理过程对于很多应用层面是非常重要的，然而，不可忽略的是，我们才刚开始发展在柏赛尔能适用的条件下(一般光学频率)的领域，看起来不久之后我们可以将这光与物质交互作用拓展至还没研究的领域，并且在奈米材料以及奈米光学领域中开启一个新的革命，在奈米尺度下，柏赛尔因子还有很多的空间可以研究的。