第七十四期 2012年4月刊
 
 
 
發行人:林清富所長  編輯委員:陳奕君教授  主編:林筱文  發行日期:2012.04.13
 
 

本所4月份演講公告:

日期

講者簡介 講題 地點 時間

光電論壇

4/13 (Fri) 楊邦彥總經理
怡和創業投資集團
大中華地區LED產業縱橫談 博理館
101演講廳
15:30-17:30
4/16 (Mon) Prof. Shun Lien Chuang
Dept. of ECE, University of Illinois
Metal-Cavity Nanolasers on Silicon: How small can they go? 博理館
201會議室
10:10-11:00

 
 
 
3月份「光電論壇」演講花絮(花絮整理:姚力琪)
時間: 101年3月9日(星期五)下午3點30分
講者: 朱宗慶校長(國立臺北藝術大學)
講題: 千山萬水  擋不住想飛的翅膀
  朱宗慶校長於3月9日(星期五)蒞臨本所訪問,並於博理館101演講廳發表演說,講題為「千山萬水  擋不住想飛的翅膀」。朱校長本次演講內容精彩,演講時面面俱到,與本所師生互動佳,本所教師及學生皆熱烈參與演講活動,獲益良多。
 

朱宗慶校長(左)與本場演講主持人林清富所長(右)合影。


時間: 101323日(星期五下午330
講者: 莊益增導演
講題: 牽阮的手
  莊益增導演於323日(星期五蒞臨本所訪問,並於博理館101演講廳發表演說,講題為「牽阮的手」。莊導演演講內容精彩,本所學生參與熱烈並踴躍提問,獲益良多。
 

莊益增導演(右)與本場演講主持人林清富所長(左)合影。

 

 

 
 

 

~ 與南京大學(Nanjing University)博士生交流活動 2011  系列報導 ~

(時間:100年10月8日至10月14日;地點:南京大學

【之十】

撰文:光電所博士班學生張俊霖

2011年10月14日星期五早上8點30分,至南京大學「唐仲英樓」進行實驗室參觀,如下圖一與二所示。實驗室大樓之命名是為了感謝唐仲英先生心繫大陸祖國教育事業,於2007年特別捐贈人民幣五千萬元協助南京大學建立「固體微結構物理國家重點實驗室」,並設立「唐仲英講座教授」等惠教經學之善舉。唐仲英先生是著名企業家、美國唐式工業董事長以及唐仲英基金會董事長。

圖一(左) 唐仲英樓之外觀;圖二(右) 唐仲英先生銅像。

(一) 介電超晶格研究群:

由閔乃本院士、朱永元教授以及祝世寧院士所領導的研究團隊,主要從事介電體超晶格材料的設計、製備、性能與應用。當代資訊社會的技術基礎奠定於利用電子作為資訊載體進行資訊傳輸、處理和顯示等的一系列技術革命;若使用光代替電子作為資訊載體,將在速度、資訊載荷量、能源消耗等方面取得優勢。而介電體超晶格與離子型聲子晶體是能實現對光與聲進行控制的一種新型功能材料,利用介電材料的線性與非線性光學效應、壓電效應、聲光效應等不同的物理效應,通過對介電體超晶格微結構的設計與控制,實現對光、聲的頻率、強度、相位、偏振、傳播方向等進行轉換、調制與操縱,來探索新一代光電子學與聲電子學的原理、材料與元件。

(1) 發展「生長條紋」與「室溫電場極化」技術,以研製週期、準週期、變週期與二維等不同結構的光學超晶格,並與全固態雷射技術相結合來達到多波長與可調諧的輸出。(2) 製備超高頻聲學原型元件;將晶體中光波與聲波的極化激元激發從紅外光擴展至微波波段;並發現基於壓電效應的新型極化激元;擁有超高頻激發、低插入損耗(調整週期數與電極面積)與寬頻(設計變週期與非週期結構)之特性。(3) 將基本的「準相位匹配」理論推廣至「多重準相位匹配」理論,發現許多新穎的非線性光學效應,如光散射增強效應、非線性Cerenkov輻射與非線性光學Huygens原理等,對微弱訊號放大與量子光學等的應用有幫助。(4) 作為新型糾纏光源:由於光學超晶格的轉換效率比傳統塊材高一個數量級,且在波導中甚至高出四個數量級以上;可利用靈活的相位匹配方式與豐富的非線性耦合過程來擴展糾纏源的功能。並藉由研究耦合參量過程產生的多光子糾纏態與多模連續變量糾纏,來實現糾纏光子的波前調控,且用來發展量子通信與計算。(5) 於特異介質 (metamaterial) 中的人工磁共振與磁等離極化激源 (magnetic plasmon polariton):設計特殊人工金屬結構,使電子的集體振盪源激發可以對光波產生磁效應,由這些磁響應單元作為人工「磁原子」,可組裝出新型人工磁特異介質(導磁率不為一)之光學材料。以上五大研究方向總計有Science三篇,Phys. Rev. Lett.十篇與SCI百餘篇等結果發表,能參觀此世界級的國家實驗室,乃是此南京大學之行最大收穫之一。

進入其實驗室參觀,如圖四所示,整體來說非常地整齊清潔,除了元件製備外,所有的元件測試實驗均在無塵室中進行,對於微結構的保存與固態雷射的穩定性有幫助,如圖五與六所示,仔細觀察可發現牆上的壁報與實驗室內清掃輪值表等資訊都有在定期更新與紀錄,實驗室成員約20幾個人,整體實驗室軟硬體方面也都很有紀律;所長稱讚其牆上壁報有分成中英文兩種版本,方便向來自世界各地的訪客介紹實驗室,值得我們學習效法,如圖三所示。

圖三(左上) 於實驗室外講解實驗室研究方向與成果;圖四(右上) 於實驗室內光學無塵室外介紹環境與設施,圖中講解人員手持一片超晶格微結構樣品向林清富所長進行解說;圖五(左下) 第一間無塵室實景,作為非線性光學與新型光源的實驗空間;圖六(右下) 第二間無塵室實景,作為全固態雷射研究的實驗空間。

(二) 團簇科學與奈米技術研究群:

由Guanghou Wang, Min Han, Jian-guo Wan, Fengqi Song以及Jianfeng Zhou教授群主持,主要研究多種團簇結構的各種物性,例如金屬與半導體團簇的結構與性質,團簇組裝奈米結構的量子性質,金屬和氧化物奈米線的結構和性質,包括團簇的熱力學性質—奈米噴流,以及雷射光調控磁性半導體奈米結構等。原子團簇(atomic cluster)是由幾個到幾萬的原子或分子組成的聚集體,為介於單原子分子以及凝聚態物理之間的橋樑。南京大學於1984年開始,同時從實驗與理論上發展此項研究,如自由式、支撐式和嵌入式團簇,以及團簇聚集的奈米材料等。到目前為止,有幾種產生「團簇束」的儀器被發展出來,發表超過300篇學術論文與專書「團簇物理(cluster physics)」,在2004年後,研究方向主要在於將團簇視為建築磚頭(building bricks)般,用來設計與製備各種奈米結構,以及他們的物理性質與相關操控。

目前具體的研究方向為(1) 團簇與團簇組成的奈米結構的自旋操控;(2) 可控制的製備方法,表面電漿共振子的共振性質與團簇陣列的奈米光學性質;(3) 原子團簇的理論模擬與以團簇為單位的結構設計;(4) 經由團簇系統的質量與能量傳播,以及熱物理性質;(5) 奈米結構稀釋磁氧化物與多重含鐵性材料的的電磁性質。

進入其實驗室參觀,首先是介紹他們草創初期所製備的退役系統,如圖七所示,主要是一蒸鍍源與低溫系統產生團簇源,團簇源初期是由離子、電子與中性原子均等構成,再者是利用差別式真空(differential pumping)原理逐漸發展超高真空隔間,過濾出高品質的單能團簇束,當時限於經費不足,無法滿足應用的需求。後來根據此套的經驗以及充足的經費來源,蓋了第二套團簇束系統,如圖九與十所示,更準確地分析出高品質的團簇束並架設線上質譜儀來監控團簇束品質,最後進入一個樣品製備室去堆疊出不同的新型奈米微結構,例如他們發表在Phys. Rev. A 73, 063203 (2006)的研究成果,成功地產生中等尺寸SiN團簇並堆疊出最低能量的結構。最後他們為因應不同材料的團簇束生長與堆疊,又架設第三套系統,如圖八所示,對方說這套系統的特色是團簇室體積可縮減許多。

圖七(左上) 為此實驗室發展初期的第一套原子簇產生源;圖八(右上) 為此實驗室目前發展的第三套原子簇產生源;圖九(左下) 為此實驗室目前發展的第二套原子與分子簇產生源以及樣品製備室;圖十(右下) 為第二套系統的真空系統架構圖。

 

【之十一】

撰文:光電所博士班學生蔡東昇

在此次南京大學參訪行程中,除了南大校園的巡禮與實驗室參訪之外,也要特別感謝南京大學精心費力地為來自臺灣大學的我們安排了一趟黃山之旅。自古「黃山」就非常著名,黃山原名黟山,因峰岩青黑,遙望蒼黛。黃山位於中國安徽省南部黃山市境內,南北長約40公里,東西寬約30公里,山脈面積1200平方公里,核心景區面積約160.6平方公里,主體以花崗岩構成,最高處為蓮花峰,海拔1864米。黃山1982年入選第一批國家重點風景名勝區;1986年黃山被評選為中國十大風景名勝區,且是中國十大風景名勝中唯一的山嶽風景區;1990年12月黃山風景名勝區作為一項文化與自然雙重遺產被聯合國教科文組織列入世界遺產名錄;2004年2月入選世界地質公園。明代地理學家與旅遊家徐霞客曾給黃山下一句評語:「五岳歸來不看山,黃山歸來不看岳。」由此可見黃山美景可說是馳名於古今中外的。

在經歷10月9日與10日的博士生論壇會議報告之後,10月11日中午大夥從南京大學出發,經過約四個小時的車程,來到黃山腳下的湯口鎮,晚上就先在當地旅店下榻與餐館用膳,為來日登山預做準備。隔天起了大早在台大何志浩老師與南大熊翔老師的帶領下,大夥連同導遊來到了黃山雲古寺纜車站搭乘雲古寺—白鵝嶺的上山纜車。在約莫20分鐘的纜車行程中,沿途充滿著有如在山水潑墨畫中一般的景致,怪石、奇松、接連矗立在連綿不斷的秀美山峰上,其壯麗的山勢著實令此行的我們驚呼連連。到了白鵝嶺站,一出站就可見四周雲霧茫茫,此處果然是觀賞東海雲海的最佳位置,看了著名的孔雀松之後,我們一路經過了雨傘松,此松是聯合國祕書長安南在2006年5月訪問黃山時所命名的。沿途導遊常說:「黃山美不美,全看你兩隻腿。」、「我看黃山多雄偉,黃山看我多狼狽。」意謂著如果你體力好,不怕爬陡峭的階梯,那你就覺得黃山美。反之,如果你體力不好,光爬山就氣喘吁吁的、累的半死,那你就覺得黃山不美也折磨人。還好台大的師生體力都不錯,可以從容自在地觀賞沿途美景。

而我們在山上午膳的菜色是簡單清淡但是昂貴的,聽導遊說因為山上物資不能用纜車運上山,必須由辛苦的挑夫用人力挑上山,所以相同菜色在山上價錢可能是山下的三、四倍。用過午膳之後我們途經北海賓館,此賓館常常有大陸的重要官員或是國家外賓來此下榻,此處附近有著名的散花塢中的夢筆生花—就是在峰尖石縫中,有長著一株奇巧古松,有如盛開的鮮花。而峰下有一巧石,形狀有如人在臥睡,故稱為夢筆生花。傳說是李白來黃山遊玩,醉後擲筆幻化所成的。大夥再往上走來到光明頂,此處為黃山第二高峰,標高1860米,聽說是黃山看日出、觀雲海的最佳位置之 一,有人說:「不到光明頂,不見黃山景。」可惜的是,我們到光明頂時已是中午過後,山上雲霧繚繞,無法遠觀只能在雲霧中想像四周山景之浩瀚壯麗。

過了光明頂,我們開始往迎客松走去,這顆松樹可謂是黃山奇松的代表,此松狀如伸展雙臂的主人,似乎很熱情地歡迎來黃山遊覽的各地旅客,故名為迎客松。聽說此松的身影在中國境內出現機會蠻大的,上至北京人民大會堂,下至車站碼頭,都有機會被發現。觀賞完迎客松的巧妙身形之後,我們大夥就慢慢地往玉屏樓纜車車站走去準備下山了。當然在此回程中,無庸置疑的,我們一樣對著瑰麗的景色讚嘆不已。而在整個黃山行的過程中,我們發現大陸當局對此地風景的維護跟管理是相當進步的,隨時都有人在維護環境清潔,即便旅客眾多,地上鮮少有垃圾出現。不過比較可惜的是,此風景區沒有全面禁煙,路過吸煙區的時候,一堆老煙槍的吞雲吐霧令空氣品質嚴重下降,令人只想快步離開。

最後特別感謝南京大學熊翔老師與南大李燁操、李明雪、丁煜、劉冬梅同學等人在黃山之旅中對來自於台大光電所的師生的陪伴與關照。

 

 
 
Emitting layer design of a white organic light-emitting device

Professor Jiun-Haw Lee

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 李君浩教授

A white organic light-emitting device (WOLED) based on a phosphorescent blue and green emitter combined with red fluorescent one doped in a single host is presented. In such a device, efficient phosphorescent sensitization (PS) was achieved from the green phosphorescent emitter to the red fluorescent one, which was directly observed from transient electroluminescence. An undoped region was inserted between the green and blue dopant region to stabilize the emission spectra. In this configuration, the main recombination zone was at the blue-emitting region, and the minor one was located at the green one near the undoped region. To avoid carrier trapping, the red fluorescent emitter with a reasonably high concentration (0.5%) was doped away from the minor recombination zone. That WOLED exhibited a longer operation lifetime than the phosphorescent blue/green device, because the PS provided a radiative efficient energy relaxation from the green phosphorescent emitter to the red fluorescent one [published in Curr. Appl. Phys. 11, S183, 2011].

Fig. 1. Normalized EL spectra of the WOLED and blue/green OLED.

Fig. 2. Luminance decay curves of OLEDs.

 

Fabrication and characterization of a micro tunable cat’s eye retro-reflector

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 developed a micro tunable cat’s eye retro-reflector. The tunability is obtained through the use of a smart film, a polymer dispersed liquid crystal device (PDLC). The cat’s eye device consists of three subassemblies, a front-side focusing unit, the smart film, and a back-side reflecting unit. Device characterization, considering possible fabrication inaccuracy such as misalignment, was performed (Fig. 1). The acceptance angle was measured to be 9°. Switching of an image pattern generated by a 2-D array of such tunable cat’s eye retro-reflectors was also demonstrated (Fig. 2). The tunable cat’s eye retro-reflectors can be used in a free-space communication system, or more specifically, an optical identification system.

Figure 1

Figure 2


© 2011 Elsevier B.V.
K. H. Chao, C. D. Liao, B. J. Yang, and J. C. Tsai, “Fabrication and characterization of a micro tunable cat’s eye retro-reflector,” Optics Communications, Vol. 284, pp. 5221-5224, Oct. 2011.

 

     
 
 
論文題目:摻鈰釔鋁石榴石功能性晶體光纖

姓名:林晏聖   指導教授:黃升龍教授

 

摘要

本論文成功開發出具有高亮度白光及寬頻特性的摻鈰釔鋁石榴石雙層纖衣晶體光纖(Ce3+:YAG DCF),如圖一所示,白光光源輸出亮度高達4.5x109 cd/m2 且光通量為6.2流明的白光點光源,將此光源耦入直徑200奈米的多模光纖,輸出功率及耦光效率可達4.8毫瓦及36.8%,此白光點光源適用於生醫內視鏡的應用及長距離具方向性的固態照明。在光學同調斷層掃描術(OCT)的研發上,如圖二所示,我們成功產生中心波長及半高寬分別為560奈米及100奈米之寬頻光源,其空間中的縱向解析度(axial resolution)可達1.5微米,可應用於細胞生物組織結構或工業製造的微觀結構的量測。

圖一

圖二

 

 

論文題目:金屬奈米結構之光學感測(Metal Nanostructures for Optical Sensing)

姓名:宋明哲   指導教授:黃鼎偉教授


摘要

本論文共提出兩種以金屬奈米結構所設計的光學折射率感測器(Optical refractive index sensor),分別是以有限元素法(Finite Element Method)分析單顆壓花式矽奈米殼柱(圖一(b)),與金屬球殼奈米柱呈六角狀排列(圖二)產生的表面電漿場共振(Surface plasmon resonance)現象。目的是在金屬與待測介電物質間產生極大的表面電漿共振電場增強效應。二種金屬奈米結構目標都是希望對待測物質的光學折射率變化產生高靈敏度感測。本文提供了多種利用金屬奈米結構達成光學折射率感測的設計。

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、陳聖灝 —

電漿消融:金屬塑形

在光強度足夠的情況下,利用光熔化金屬是可以實現,例如使用高功率雷射、高集中、短脈衝或強大的光學共振。在熔融狀態的期間,金屬可藉由一些物理效應重新塑形,如電磁力,表面張力和熱效應,在快速冷卻後可永久地形成新的結構(如圖)。最近的一份報告中,Ventsislav Valev和他從比利時、俄羅斯、德國、新加坡、保加利亞及英國的同事報告提出了使用電漿雷射消融去熔化金屬的方法 (Adv. Mater. http://dx.doi.org/10.1002/adma.201103807; 2012):研究人員使用120 fs@800 nm的脈衝鈦藍寶石雷射聚焦在約330 nm×440 nm大小的區域,去解釋G型和星型金與鎳奈米結構。

據Valev指出,研究人員先前認為,在加熱幾乎均勻的情況下,奈米結構表面張力會使得高功率雷射把金屬融化成球狀。然而,這種假設是不正確的,並根據Valev指出,在熱點上比預期中可以加得更熱。Valev對Nature Photonics 指出「在電漿熱點之內,電荷會被電場強力驅動,震盪的電荷會形成局部電流同時加熱局部材料,電漿熱點會變得非常熱。因此,我們的雷射光束在電漿熱點開始精確地融化奈米結構,並造成融化的黃金小池子。在這個小池子內,流體動力的程序會發生,如同我們圖片中看到的奈米噴流。」

然而,Valev解釋說,這一機制僅是故事的一部分。在電漿熱點,電子最初在線性的情況下被驅動。當雷射強度增加,電子開始被非線性驅動。在這一點上,二次諧波光在電漿熱點產生,這使熱點就如同一個獨立的光源。因為二次諧波與原始的照明光的波長不同,不需要複雜的解調或成像技術,這種二次諧波,可直接使用共焦顯微鏡成像,並提供了初階近似的等離子體映射。

研究人員聲稱,這樣使得電漿奈米結構比那些透過傳統的光學技術製作的小,雖然他們還沒有被量化的解析出來。Valev解釋,該方法能夠明確解析在200 nm×200 nm大小的兩個熱點,這是團隊目前試圖成像的最小奈米結構。然而,真正的技術優勢可能是它的速度,應用上如對奈米材料的電磁響應的映射。

研究人員希望推廣他們的方法。 Valev解釋說他們的技術擁有巨大的潛力,只需要一個標準的共聚焦顯微鏡。這種顯微鏡常用在生物實驗室,但許多科學家們似乎不知道電漿奈米成像的潛在用途。

Valev解釋說:「我們將調查其他幾何形狀和材料,我們還將特別關注的其中流體動力過程的數值模擬。我們也保持留意潛在的應用,如等離子體輔助的次波長結構與近乎完美的球形奈米粒子的雷射燒融製作。」

圖:單個飛秒(fs)雷射脈衝在電漿熱點產生奈米噴流,從(a)到(f),G型奈米結構的掃描電子顯微鏡顯示,隨著增加雷射功率奈米凸塊形式增長,並導致形成一個奈米噴流,並噴出金屬奈米球。(g)一個非常規則的奈米球,落在鄰近奈米結構的手臂上。(e)中很明顯,奈米凸塊是空心的。紅色箭頭表示光的偏振方向。

 

文章來源: Nature Photonics 6, 145(2012) doi:10. 1038/nphoton.2012.26 Published online 29 February 2012
網址: http://www.nature.com/nphoton/journal/v6/n3/full/nphoton.2012.26.html
相關引文 "Plasmon-Enhanced Sub-Wavelength Laser Ablation: Plasmonic Nanojets"
Article first published online: 9 JAN 2012
DOI: 10.1002/adma.201103807
   
   
 
 
 
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