第130期 2017年6月刊
 
 
 
發行人:林恭如所長  編輯委員:吳肇欣教授  主編:林筱文  發行日期:2017.06.30
 
 

本所彭隆瀚教授榮膺本校「105學年度優良導師」,特此恭賀!

本所7月份演講公告:

日期

講者簡介 講題 地點 時間

光電所專題演講

7/26 (Wed) Prof. Kent Choquette Electrical and Computer Engineering Department, University of Illinois

Vertical Cavity Laser Arrays: Present Status and Future Prospects

博理館
201會議室

14:30~15:30

 

 

 

 
 
6月份「光電所專題演講」花絮(花絮整理:姚力琪)
時間: 106年6月9日(星期五)下午4時30分
講者: 陳建任董事長(聯亞光電股份有限公司)
講題: Semiconductor Lasers & Detectors and Their Applications in Optical Communication
  陳建任董事長於6月9日(星期五)應本所彭隆瀚教授邀請蒞臨本所訪問,並於博理館101演講廳發表演說。陳董事長本次演講題目為「Semiconductor Lasers & Detectors and Their Applications in Optical Communication」。本所教師及學生皆熱烈參與演講活動,演說內容豐富精彩,與現場同學互動佳,師生皆獲益良多。

 

 陳建任董事長(右)與本所所長林恭如教授(左)合影

 

時間: 106年6月16日(星期五)下午4時30分
講者: 王俊凱博士(國立臺灣大學凝態科學研究中心研究員)
講題: 從飛秒到奈米,從基礎到應用:我的光學路(From Femto to Nano and From Fundamental to Applications: My Optical Path)
  王俊凱博士於6月16日(星期五)蒞臨本所訪問,並於博理館101演講廳發表演說。王博士本次演講題目為「從飛秒到奈米,從基礎到應用:我的光學路」。本所教師及學生皆熱烈參與演講活動,演說內容豐富精彩,與現場同學互動佳,師生皆獲益良多。

 

 本場演講者王俊凱博士

 

 

~ 2017 光電盃球類競賽  花絮報導 ~

(時間:106年5月21日;地點:臺大舊體育館

花絮整理:所學會會長蔡瑞祥

又到了一年一度的光電盃運動盛事,光電盃是由所學會主辦的活動,運動是一件非常健康的事,此活動的目的即是為了讓研究生在做實驗之餘,能不忘藉由運動來紓解壓力,以及讓身體保持健康。光電所的同學除了學習優秀、研究認真外,在體育方面也表現得相當不錯,許多人脫下實驗袍後就變成了運動健將,在各個運動領域獨領風騷。這次的活動進行得非常順利,除了感謝光電所的同學們熱情參與之外,也特別感謝所學會的成員們,才能讓這次的活動圓滿落幕。

很慶幸當天是好天氣,讓各個參賽選手能沒有後顧之憂地前往參賽,這次我們選用舊體育館當作比賽場地,由於場地大致上很完善,也讓選手們能安心比賽。比賽項目的部分,則是羽球雙打和籃球三對三鬥牛,以及特別設計的籃球趣味競賽,不論是羽球還是籃球都比得相當刺激,而且大家也很有運動家精神,成敗是其次,每一位選手都非常享受比賽。

圖一、羽球預賽

圖二、羽球複賽

圖三、籃球三打三賽程

羽球的部分總共有八個隊伍,在進行一輪預賽後,晉級隊伍數目剩下四隊,再由複賽比出前三名,大家都打得相當盡興,也很樂在其中。籃球的部分則是由十個隊伍進行比賽,刺激的碰撞讓場下觀眾看得非常緊張,不過選手們都很有風度,沒有任何的火氣,就這樣經過了將近兩小時的奮戰後,決定出了前三名的隊伍,此時大家已經非常疲累,可見消耗了很多體力。在羽球與籃球皆進行完畢後,休息了將近半小時讓大家喝個水喘口氣,緊接著則是由我們所學會成員精心策畫的籃球趣味競賽。經過詳細解說以及示範後,每個報名隊伍相繼進行,大家都試著用最快的速度完成比賽,有人掉球、有人跑錯位置,比賽過程中充滿著歡笑,一解剛剛籃球、羽球比賽的緊張刺激感,順利達到趣味競賽的目的。

圖四、籃球比賽賽況

圖五、羽球比賽前三名

 圖六、籃球比賽冠軍隊伍

隨著趣味競賽的結束,活動也進入尾聲,我們一一頒發獎盃以及獎勵給各項比賽獲獎的選手,大家都非常開心,活動也很圓滿地落幕了。這次的活動再次感謝各個所學會成員的幫忙以及用心,最後還要特別感謝所辦公室姚小姐的協助,我們才能順利辦好活動,希望未來光電所的各位都能踴躍參與所學會所舉辦的活動,謝謝大家。

 

 
 
 
     

光電所參與歐盟 European Master of Science in Photonics (EMSP) 碩士雙學位計畫  系列報導 ~

【之六】

撰文:光電所碩士班學生陳廷豪

都來到國外了,當然要來交個外國朋友啊!我就是抱持著這個心態,盡量主動去找人聊天。在國外搭訕是一件稀鬆平常的事情,而且不會奇怪。有一次在克羅艾西亞的夜店,我面前的男生就直接主動搭訕旁邊漂亮的外國女孩,然後很自然地聊了起來,在後面的我只能後悔自己沒有早一點行動。根特大學的學生會有提供一個Buddy system,也就是會有當地的學生當你的學伴,有問題時可以問他,在我剛到根特時,我的Buddy就陪我去學校註冊、辦銀行帳戶和幫忙找房子,真的是幫了我很多!而我的Buddy也提到比利時的學生在週末幾乎都會回家,所以我週末只能找其他國際生一起遊玩。除此之外想要進一步認識外國人的話,可以選需要分組討論的課,像我有一門「Dare to start」的課,為了完成這門課,我們每週都必須約出來開會一次,自然而然就會很熟悉,甚至在課程結束後還會繼續聯絡。

在宿舍時,每個晚上我都會藉由煮晚餐的機會與其他國際生交流,有時帶瓶啤酒就可以去別人的寢室串門子。每到週五晚上,學生會都會有舞會,這時同層樓的住戶有時都會相約去參加,然後隔天直接睡到中午,相約廚房煮午餐。

在實驗室,比利時人做事效率很高,所以上班時間就是專心工作,下班後大家就各自回到自己的家,平時也不太會主動關心你生活上的事情,因此比較少有機會可以更進一步交流,或許會給人一種冷淡難親近的感覺,我想這或許是因為他們上班時間不想閒話家常,以及注重家庭的觀念,促使他們趕緊下班回去陪家人的關係,當然也有可能是他們對於外國人已經見怪不怪,所以比較冷淡。倒是跟其他非比利時的外國人相處很容易,或許是我們都同處異地,特別有革命情感。像我經常跟一位印度博士生聊天,他也經常主動關心我的研究,在衝刺寫論文的階段每天總要問兩次以上"How is your thesis?",有時我的博班學長對我不滿意時,他還會跳出來幫我,平時也會教我做事的方法,像是每天整理數據找博班學長討論,就是他傳授給我的方式。後來我完成我的論文,而他為他的博士論文忙碌時,換成我天天問他"How is your thesis?",當然我也不忘報答他,完成口試後,我就邀請他到我住的地方,煮一頓中式料理請他吃,並一起參加根特狂歡節!

與印度學長一起參加根特狂歡節

【精彩內容,下期待續~】

 

撰文:光電所碩士班學生吳鎮國

我想我和多數同學一樣,參加EMSP計畫是第一次離家這麼久到語言不通的地方生活一整年。所接觸到的人們都是不同國家種族的人,難免會緊張,出發前心中充滿著一些種族偏見的小聲音(例如德國人很嚴肅、法國人很驕傲、義大利人很自我…...等等),不斷提醒自己小心別犯到別人的禁忌。然而,這一年我卻了解到,你不了解別人,同樣的,別人也不了解你。如何拿捏與不同背景的人的距離(不過份裝熟,也不過度自我防衛)是很有趣的課題。有時候因為不了解而產生的種族偏見也可以是開啟話題的來源,敞開心胸主動搭起友誼的橋樑,才能讓彼此開始互相了解。我想這也是EMSP合作計畫成立的宗旨。

跨出學校生活圈,外面可能就會有點複雜,我有台灣朋友在歐洲工作時因為荷蘭語不夠流利而遭受困難。然而,學生環境還是相當單純,以我的經驗,只要你願意說,對事情好奇,或有困難想問同學老師,大家都會盡力幫助你,相當有人情味。但就像我之前幾篇文章所說的,一切要自己主動開口,不然沒人知道你在想什麼。課業上,只要有問題,老師無論下班時間多晚,都會陪你解決,或者可以再約時間到老師辦公室,問到你滿意為止。而研究上,主動提出你的想法或者詢問老師可以努力的方向,老師也都會不吝嗇地幫助你。

在台灣認識朋友通常是藉由共同的活動,例如修課、社團、工作等,久了才開始交談,並進一步認識。而在國外,我有許多認識的朋友都是藉由搭訕認識的,可能上課覺得隔壁的人看起來很友善,或者因為好奇心而主動開啟話題。從這些經驗,我體悟到,自己平常要多讀一些書,充實知識背景,這些平常累積看似沒用的東西,往往都是通往其他世界的橋樑。【精彩內容,下期待續~】

 

撰文:光電所碩士班學生陳世昌

或許是因為上歐洲餐館的費用都很高,學生們普遍都選擇去酒吧聚會,而不像在台灣時會約在餐廳吃飯聚餐,因此,酒吧是個很好認識新朋友的地方,我們也在那裡結交了不少外國朋友。初到根特時,我總是習慣和其他台灣朋友一起參加聚會,後來比較能駕馭語言時,我們便嘗試獨自去結交新的朋友。整體而言,我所認識的外國朋友們(交換學生居多)都非常熱情健談,尤其是南歐國家的朋友們,如義大利和西班牙,見面時也都會握手擁抱,有的更會像電影中用碰臉頰來打招呼,對於在相對保守的文化中長大的我,老實說第一次遇到的當下有點驚訝,不過後來也漸漸能接受這種西方社交禮儀。也因為認識的外國朋友們都來自許多不同的國家,例如愛沙尼亞﹑義大利﹑斯洛維尼亞﹑瑞典……等,大家都是基於對他國文化有興趣才會選擇當交換學生,相處時總是有許多聊不完的話題,他們對於中華文化也都非常感興趣,有一位西班牙朋友更是把我問倒了,反倒由他來教導我「茶」的學問,也學習到原來我們平常所講的「紅茶」其實是一個很粗糙的說法,因為在茶葉的分類裡,真的有一門包含了像是普洱茶之類的「紅茶」類別。另外,也有不少外國朋友都聽過「台灣」這個名字,有些人甚至知道台灣和中國大陸之間的矛盾,這著實讓我十分欽佩他們的國際觀。

因為EMSP計畫規定的關係,與我們同年級的同學們大多都在其他夥伴學校就讀及進行論文研究,所以我們在修習專業科目時的外國同學幾乎都是大陸人,他們來自於大連理工,也是EMSP計畫的一員。因為少了語言的隔閡,和他們相處起來相對容易,記得在去年寒冷又細雨綿綿的11月份時,因為課程需要而前往安特衛普的某研究機構參觀,結束後的晚餐時間就有人提議一起去中國城內吃火鍋,我們共十幾個人就在熱呼呼的火鍋蒸氣中無所不談,十分愉快,而在之後的相處中,也發現其實他們這些新生代就跟我們一樣,都會有平常愛偷懶耍廢然後在考試前崩潰念書的時候,而不是傳統刻板印象中無時無刻都在死命念書的樣子。此外,對於兩岸之間的政治議題也大多都很有默契地避而不提,似乎沒有像報章雜誌鋪陳的那樣敏感與針鋒相對。

在與師長的相處方面,由於我的研究團隊沒有各自的實驗室,因此除了在無塵室內進行實驗及每周固定1~2次的meeting之外,基本上不太常碰面,但是這並沒有影響到他們對我的關心,相反地我們的郵件往來非常頻繁,也常常會在meeting結束後聊聊我在UGent的生活,更甚至後期在撰寫論文準備要口試時,我的學長(Supervisor)還主動幫忙我把關碩士論文每一個章節的寫作,也幫我找了許多其他不同領域的博班學長進行口試預演,修正我的口試內容的缺失,事後經過仔細思考,才發現學長雖然在平時meeting時總是不斷給我許多很嚴謹的要求,但其實心地很善良也很用心,確確實實幫我在這一年內成長很多。另一方面,和教授們相處起來的距離感也比在台灣的小,在課堂結束時都會主動找我們聊天,關心我們的近期生活及未來規劃,若有問題時也都會很親切地與我們討論,整體而言,EMSP很像是一個團隊而不單單只是個系所。【精彩內容,下期待續~】

 

撰文:光電所碩士班學生王怡文

修課的時候認識的同學們,除了平時遇到時打打招呼、下課的時候閒聊兩句,不然就是一起做實驗、做報告和準備考試的時候會有比較多互動。其實就跟在台灣的時候沒有什麼差別,只是在國外你跟你的同學朋友們是用英文來溝通,而在台灣是用中文。真要說有什麼不同的話,就是英文程度還沒有好到能清楚地表達自己的意思,或是有時候想說的話會一時之間不知道怎麼說,我個人覺得這是溝通上最大的困難。雖然不那麼簡單,但是透過聊天,還是可以聽到許多有趣的事,更加了解其他地方的風土民情。

除了系上的課程,我也有修過三個月的荷蘭文,來上課的學生來自不同國家、有著不同的專業,而同時課程也有許多機會用蹩腳的荷蘭文和英文來和彼此聊天。在這個班上課的感覺很微妙,班上除了我和晏翔,其他人都是來自不同國家的歐洲人,他們對歐洲的文化、歷史、節慶、風俗習慣都很熟悉,雖然來自不同國家,但是彼此之間會有一種共識的那種感覺,就像是華人社會裡總是會有一些廣為流傳的歷史故事一樣。相對的,他們對於台灣,甚至是整個華人世界的歷史、風俗、文字等等都不甚了解,也因為文化上的不同,他們會對這些充滿興趣,但有時候又會不太能理解。從我們的角度來看其實也是這樣,這也是聊天有趣的地方所在,因為不理解而所有隔閡,但卻也因為不理解才有試著去理解的趣味。記得有一次分組練習對話後的空閒時間,我和晏翔跟同組的人介紹中文字,一開始我們寫了自己的名字,在他們眼中這就好像一個一個方塊的圖像一樣。接著我們試圖跟他們說明有些文字是由象形的原則造出來的,像是有三點水的字都是和水有關的、森林是充滿木頭的地方…...等等,沒想到他們竟然也聽得津津有味。更有趣的是,他們問我們,如果用中文寫下一個句子,最快可以寫多快?既然他們都開口問了,我當時就隨手迅速地寫下了「我覺得上課好難好累」之類的話,沒想到他們也看得目瞪口呆,好像我在進行什麼玄妙的創作一樣。這也讓我感到印象深刻,因為一些我們從小接觸、已經習以為常的事情,在其他人的眼中竟是完全不同的樣貌。後來過年的時候,我們決定寫張中英對照的卡片送給同組的兩個人,拜年之餘順便介紹一下成語和吉祥話,否則如果他們對中文的印象只剩下我對上課的感嘆,豈不是太可惜了。

當然除了上課之外,旅遊時也可以認識一些在當地生活的人,進而多了解一些當地的事。我個人出去玩很喜歡住民宿,透過居住環境、建築、和民宿主人攀談聊天,除了獲得有用的旅遊資訊,也可以細細體會一個地方的生活方式、飲食文化和價值觀…...等等,我覺得這些都是非常寶貴的經驗,也能算是旅遊中預期之外的收穫。【精彩內容,下期待續~】

 

撰文:光電所碩士班學生許晏翔

比利時位處歐洲交通樞紐,夾在德、法、荷三國之間,其文化自然深受這三國影響。因其複雜的歷史地理及政治等因素,致使比利時以三種官方語言區分出三大行政區:即荷語區、法語區、德語區,而首都布魯塞爾更是雙語(荷、法)區,其內部族群、文化、生活習慣之多元程度可見一斑;而身為歐盟創始國之一,比利時也經常是國際關注的焦點,其內部各族群與政治勢力之間的關係亦經常被國際社會視為歐洲政治整合的借鑑,因此比利時又有「小歐盟」之稱。

根特位於比利時荷語區,學生人數占10%以上,是個典型的大學城,國際化程度相當高。在這裡,幾乎可以用英文應付生活大小事,與年輕一輩的本地人用英語溝通幾乎是零障礙。雖然用英文溝通很方便,但在根特大學就學期間,為更深入了解比利時的文化與生活,我報名參加了短期的荷蘭文入門課程,與來自法國、義大利、瑞典、葡萄牙、利比亞等國家的同學一起學習基礎荷蘭文。或許校方預設大部分報名參加荷蘭文入門課程的同學母語都屬於歐洲語系,所以上課進度飛快,從第四週開始就全用荷蘭文授課,這對於來自非歐洲國家的同學們而言是相當大的挑戰。課程結束後,雖然無法將老師上課教的內容應用自如,但一些日常生活中的荷蘭文,如菜單、路標、超市的特價傳單,漸漸地開始看得懂了;與當地人—如超市店員、公車司機、肉舖老闆、路上行人—的對話,也從100%英文轉換成摻雜少許荷蘭文關鍵字的荷蘭腔調英文。從當地人的言談舉止中我慢慢發現,人們開始對我更加親切了、我們之間的距離似乎更近了,有些比較熱情的對象甚至開始用荷蘭文批哩啪啦講一大串(我當然聽不懂),生活中因此多了許多樂趣。常有人說:「學習一種新的語言,就會認識一個新的世界」,果真是如此。

在根特求學期間,適逢歐洲盃足球賽。從預賽開始,整個城市的氣氛就變得相當不同:超市開始販賣加油商品,各家廠商爭相推出比利時國旗配色包裝的啤酒、衣服、零食以及其他生活日用品(價格硬是比普通商品貴個幾成),比利時代表隊球員的肖像開始出現在街頭看板、公車廣告上,在大學生經常光顧的酒吧街(Overpoortstraat),各店家開始掛上國旗以及支持球隊的各種旗幟,整個大學城充滿祭典氛圍。隨著賽程進展,比利時屢創佳績,這種感受更加明顯。八強賽的晚上,整個城市相當安靜,教授提早下課、公司提早下班。街上少許行人邊走邊看手機的直播,大多數人都已經和親朋好友待在酒吧或家裡,啤酒、零食準備齊全,為球隊加油。在自己的宿舍裡,我甚至不需要打開電腦看直播,單純從街上傳來的人聲就能掌握賽事的進展:進攻時興奮的喧鬧加油聲、逮到好機會卻進攻失敗的失望吼叫、被對方進球的難過哀號、終於得分的歡聲雷動…...。最後比利時止步於八強,身為一個外國人,我竟然有點失望,我想這就是所謂的祭典感染力吧。整個過程是我首次親身體會到歐洲人對足球的熱情,這種身歷其境的文化體驗,相較透過網路收看直播來得真實許多。【精彩內容,下期待續~】

 

 

 

 
     
 
 

Suppression of Current Collapse in Enhancement Mode GaN based HEMTs using an AlGaN/GaN/AlGaN Double Heterostructure

Professor Jian-Jang Huang's laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 黃建璋教授

In this work, an AlGaN/GaN/AlGaN double heterostructure (DH) was proposed and demonstrated for enhancement mode operations. The DH MIS-HEMT possesses a higher threshold voltage and lower drain current under the same bias than the SH (single heterostructure) MIS-HEMT. Current collapse measurement shows superior properties of DH MIS-HEMT in long and short pulse measurement. The suppression of current collapse is mainly attributed to the raise of conduction band in the 2DEG channel, resulting in better electron confinement but less total electron density. The results indicate the potential of using the p-GaN/AlGaN/GaN/AlGaN E-mode HEMT structure for power device/system applications.

Fig. 1. Device structures of the (a) SH MIS-HEMT and (b) DH MIS-HEMT.

Fig. 2. Illustration of dynamic measurement setup. Vmeasurement is 4V at the on-state.

Fig. 3. Normalized dynamic on resistance of the devices stressed in (a) long pulse mode with VDD = 10V, (b) long pulse mode with VDD = 40V, (c) short pulse mode with VDD = 10V and (d) short pulse mode with VDD = 40V. Note that the RON is normalized to the channel resistance of the devices with nearly no stress (VDD=5V and VG=0V).

 

Magnetically Driven MEMS Cat’s Eye Array

Professor Jui-che Tsai

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 蔡睿哲教授

We have developed a micro-electro-mechanical system tunable cat’s eye retroreflector array for optical identification. A rotational concave mirror is employed in the retroreflector to achieve modulability of the retroreflected optical intensity (Fig. 1). The magnetic force between the permanent magnet and magnetic beads on the rotatable concave mirror unit enables magnetic actuation and accomplishes modulation (Fig. 2). The magnetically actuated mirror achieves a large tilt angle. The tilt angle of the concave mirror can change from 0° to 12°, with the retroreflection efficiency varying from 19% to 5% correspondingly. The retroreflection efficiency versus the position of the permanent magnet is characterized. A dynamic image can be generated by applying magnetic force individually to each cat’s eye in the array.

Figure 1

Figure 2

 

© 2016 IEEE

C. C. Chang, T. Y. Chen, and J. C. Tsai, “Magnetically driven MEMS cat’s eye array as an optical identification,” IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 28, No. 5, pp. 554-556, Mar. 2016

 

     
 
 
論文題目:具鈣鈦礦結構材料之光學特性

姓名:魏子喬   指導教授:林恭如教授、何志浩教授

 

摘要

在本論文中,我們分析了具有鈣鈦礦結構材料之光至伸縮特性,包括過度金屬氧化物釕酸鍶(SrRuO3,簡稱SRO,如圖一)與有機無機混合鈣鈦礦甲基氨基溴化鉛(Methylammonium Lead Bromide,CH3NH3PbBr3,簡稱MAPbBr3,如圖二)。

 具有鈣鈦礦結構之材料通常具有較強的電荷、電子自旋與晶格自由度的關聯耦合,透過對於材料之拉曼光譜量測與分析,藉由聲子頻率隨激發光源強度之變化,可觀察到材料結構在應力上的改變。在單晶釕酸鍶薄膜中,我們觀察到了1.12%的應力變化,其可歸因於材料晶體與激發光子造成的聲子非平衡現象。對於單晶鈣鈦礦甲基氨基溴化鉛,其光致伸縮係數在可見光下可高達2.08 × 10-8 m2 W-1,其物理原因乃材料具強烈的平移與旋轉耦合特性與光伏效應和分子構型的平移對稱性損失。除此之外,我們亦研究單晶鈣鈦礦甲基氨基溴化鉛之非線性光學特性及其應用,包括光頻譜之整形、穩定及限幅。結果顯示具有鈣鈦礦結構之材料在相關光學領域具有許多應用之潛能。

圖一

圖二

 
 
 

— 資料提供:影像顯示科技知識平台 (DTKP, Display Technology Knowledge Platform) —

— 整理:林晃巖教授、王子聖 —

在可見光波長下映射細胞動力學

從生醫科學到工業應用等廣泛學科的快速動態監測與高通量篩選不斷增長的需求,推動了高速光學成像技術的發展。在這些技術中,最初開發用於高數據速率之全光信號處理的光時延伸成像(optical time-stretch imaging),在於其具有能夠在MHz的規模下以超快幀率實現即時成像的能力,且比任何傳統成像的系統更快數個數量級而最為突出。然而,由於低時間色散和高光學損耗,在許多生物學應用所需的可見光波長下,要實現空間分辨的光時延伸成像仍然存在許多挑戰。

針對這些缺陷,Jiang-Lai Wu與其同事目前提出了一種優質的解決方案 [2],他們稱之為自由空間角線性變頻增強延遲(free-space angular-chirp-enhanced delay, FACED)技術,其不只可以提供高色散對損耗比,還能在可見光的頻帶下固有地提供超快全光雷射光束延伸機制。因為在FACED中所使用的脈衝延伸概念是基於波長不變的幾何光學,不一定需要色散,因此無論是否具有光譜編碼(spectral encoding, SE),均可以實現光時延伸成像。

FACED裝置由一對角度不對準的高反射率平面鏡組成。由於小於1 mrad的微小角度偏差,光束傳播可以被視為是一組由起點出發經遠端終點再返回到起點,不會從鏡組遠端逃逸的空間線性變頻的來回區折路徑。這大大增強了每個路徑的時間延遲,因此在緊湊的裝置內(100–200 × 10–20 mm)與在通常不會被認為可以產生大的時間色散之有效介質的自由空間中,實現大於1 ns nm-1(或脈衝延伸大於10 ns)的顯著時間色散,並且無實質的光學損耗(小於6 dB)。實際上,FACED是將輸入脈衝光束轉換成空間中的全光掃描光束。

FACED的工作原理如圖1所示。其中,圖1a是基於FACED的雷射掃描時間延伸成像系統的總體示意圖。通過角度分散器模組的輸入脈衝光束(參見圖1b中的詳細原理圖)聚焦在由一對角度不對準的高反射率平面鏡組成的FACED器件的入口O處。前面提到過,因為微小偏差角度α的關係,光束傳播可以被視為一組空間線性變頻的來回曲折路徑,其會從最終遠端返回到輸入起點,而不會從設備的遠端逃逸。這樣的光軌跡顯著增強了不同路徑之間的時間延遲,從而產生巨大的脈衝延伸(或如果是使用SE方案的話,則是時間色散)。對於入口O處入射角等於α整數倍的輸入光線,在正常入射到達其中一個反射鏡之後,它們會沿著初始入射的路徑精確返回(見圖中三個特別顯示的光線)。這些被稱為主光線的光線可以被認為是從虛擬光源中產生的光,其中每一個都具有小的發散角(=α)。實際上,FACED產生一個在空間中對準的時間延遲虛擬源陣列,然後由中繼透鏡系統(如管透鏡和物鏡)作為掃描光束投影到樣本上。圖1b為角度分散器應用在SE方案(上圖)及SE-free方案(下圖)的示意圖。其中,SE表示具有頻譜編碼;而SE-free則是無頻譜編碼。引入「角度色散」的SE及SE-free方案的關鍵要素分別是繞射光柵和柱狀透鏡。這兩種方案中的伸縮透鏡系統(由透鏡L1和L2組成)用於控制輸入光錐角Δθ。BS為光束分離器。而圖1c是FACED的總體概念。FACED不僅可以及時引入脈衝延伸(具有由一串子脈衝組成的拉伸脈衝包絡),而且還可以將輸入脈衝光束轉換成空間中的全光掃描光束。值得一提的是每個子脈衝都對應到虛擬源,即樣本上的掃描點(參見圖中三個特別顯示的點,其對應於a中的三個基本射線)。
 

圖1、FACED的工作原理圖。

Wu和他的同事評估了FACED啟用的可見光亮場時間延伸成像方案,對染色的生物組織切片與活的細微浮游生物在710 nm時,以10 MHz的有效線掃描速率的基本成像性能。他們還以80 MHz的線掃描速率在710 nm以2 ms-1的超快微流體流中顯示單細胞成像。如圖2所示,與每秒15,000幀的高速CMOS攝像機所拍攝的圖像相比(左圖),單個單元(右圖)的時間延伸圖像無模糊的情況,圖像對比度和解析度也較高,可以顯示出次細胞的特徵。該團隊還展示了在這個未開發完成的可見光譜中的MHz螢光與著色時間延伸顯微鏡。此外,他們也進行了沒有光譜編碼方案的雷射掃描時間延伸成像,得到了與普通光場透射顯微鏡相當的圖像解析度。
 

圖2、由CMOS攝像機(15000 f.p.s.)和基於FACED的時間延伸顯微鏡所拍攝的超快微流體流中Scenedesmus acutus的圖像。

研究結果表明該技術具有巨大的潛力,這將有助於提升高速及高通量生物顯微鏡的應用範圍。研究人員設想,在正交方向上使用附加的高速光束掃描儀也可以進行二維超快速動態成像。

參考資料:

1. Rachel Won, Laser imaging: Mapping cell dynamics at visible wavelengths, Nature Photonics 11, 214 (2017)

doi:10.1038/nphoton.2017.47
2. Jiang-Lai Wu, et al., Ultrafast laser-scanning time-stretch imaging at visible wavelengths, Light Sci. Appl. 6, e16196 (2017)

doi:10.1038/lsa.2016.196

   
 
 
 
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