第170期 2021年1,2月刊
 
 
 
发行人:黄建璋所长  编辑委员:曾雪峰教授  主编:林筱文  发行日期:2021.01.30
 
 
9月份「光电所专题演讲」(整理:姚力琪)
时间: 2020年9月18日(星期五)下午2时20分
讲者: 林群伦协理(鸿海集团董事长办公室)
讲题: 跨领域创新—从新创公司到科技大厂的故事
 

林群伦协理(中)与本所黄升龙教授(左)、李翔杰教授(右)合影

 

10月份「光电所专题演讲」(整理:姚力琪)
时间: 2020年10月23日(星期五)下午2时20分
讲者: 许炳坚讲座教授(长庚大学工学院讲座教授)
讲题: 善用个人专长与资源,迎接人工智能时代
 

许炳坚教授(中)与本所所长黄建璋教授(右)、李翔杰教授(左)合影

 

时间: 2020年10月30日(星期五)下午2时20分
讲者: 施天从教授(国立高雄科技大学电机与信息学院院长)
讲题: 高速光纤网络与硅光子模块技术
 

施天从教授 (右二)与本所所长黄建璋教授(左二)、林恭如教授(右一)、李翔杰教授(左一)合影

 

11月份「光电所专题演讲」(整理:姚力琪)
时间: 2020年11月27日(星期五)下午2时20分
讲者: 蔡庆祥资深副总经理(WI Harper Group/美国中经合集团 )
讲题: 创业X创投—从创投看新创企业的投资机会
 

蔡庆祥资深副总经理(右)与本所李翔杰教授(左)合影

 

12月份「光电所专题演讲」(整理:姚力琪)
时间: 2020年12月4日(星期五)下午2时20分
讲者: 陈怡然董事长(南方科技股份有限公司)
讲题: 从科技新创产业经历看跨领域整合的重要性
 

陈怡然董事长(右)与本所李翔杰教授(左)合影

 

时间: 2020年12月11日(星期五)下午2时20分
讲者: 黄智文资深协理/王希维技术副处长(稳懋半导体股份有限公司 )
讲题: 化合物半导体产品应用及产业趋势介绍
   

两位讲者与本所所长黄建璋教授(左一)、李翔杰教授(右一)合影

 

时间: 2020年12月18日(星期五)下午3时30分
讲者: 颜俊翔经理(台湾应用材料公司)
讲题: 职涯分享
 

颜俊翔经理(右)与本所李翔杰教授(左)合影

 

时间: 2020年12月25日(星期五)下午2时20分
讲者: 梁嘉新处长(均豪精密工业(股)公司/视觉系统处)
讲题: 自动光学检测与人工智能
 

梁嘉新处长(右)与本所李翔杰教授(左)合影

 

1月份「光电所专题演讲」(整理:姚力琪)
时间: 2021年1月15日(星期五)下午2时20分
讲者:

Patrick Tang(ASML Global Support Center DUV Asia manager)

Billy Chen(ASML Global Support Center DUV Asia Group Lead)

Sampo Weng(ASML Global Support Center DUV Asia Engineer Illumination & Projection)

Will Chang(ASML Global Support Center DUV Asia Engineer Metrology & Sensors)

讲题: Be Part of Progress Making Chips More Powerful, Smaller and Cheaper
 

本次讲者(右)与本所副所长吴育任教授(左)合影

 

 

~ 2020光电所期末餐会  花絮报导  ~

(时间:2020年12月18日;地点:台湾大学电资学院明达馆3F中庭广场)

花絮整理:所学会会长锺镇远

12月18日适逢冬至前夕,光电所所学会举办了期末聚餐。首先要感谢所学会的成员,愿意在繁忙的研究中抽出时间参加所学会,也特别感谢所办公室的帮忙,经过两个月不到的准备时间,我们如期在岁末邀请光电所的大家一同参与餐会。

图一、美宣场地布置

图二、活动当天入场情形

我们的美宣组在背后默默守护整个会场质量,从海报设计到活动道具布景,希望藉由美丽的观感享受,在享受美食及刺激的抽奖之余,能感受到与活动互相呼应的圣诞岁末派对气息!

图三、参与活动的同学

图四、同学们依序取餐

本次活动我们为同学们提供美味的外烩餐点与饮料,菜单更是精心挑选,除了基本的饭菜,还有色拉、西米露和许多甜点,中场休息时再提供了pizza,希望让所有参与的同学,能边享用午餐边参与活动及抽奖。

图五、点心部分

图六、所长致词

我们请到光电所举足轻重的人物—光电所所长黄建璋教授为我们致词勉励,所长也为我们带来了精采的抖肩舞表演并高歌一首「挪威的森林」,现场气氛瞬间热络到最高点。

图七、中奖同学一起揭开自己的奖项

图八、最大奖Switch 5得奖者

这次大奖不但提供Switch、Apple蓝牙耳机,也有吃到饱餐卷等等大奖,希望抽到大奖的各位同学都能够尽情享受我们的奖品。没有抽到奖品的人,也希望会喜欢我们的入场礼,谢谢所有同学入场时的耐心等待。

图九、竞争激烈的「光电知识王」

图十、主持人主持游戏「余音缭绕」

当天团体游戏的设计,主要期盼藉由游戏分组,有机会更认识所上的同学。希望本次活动成功地在今年的岁末带给大家温暖与欢乐,活动中看见光电所同学们的笑容是工作人员的动力,感谢大家的热情参与。

图十一、辛苦的工作人员们

图十二、所学会成员们合影

 
 

A Wide-angle Wideband Polarization-insensitive Metamaterial Absorber Based on UPML Mechanism

Professor Yih-Peng Chiou’s Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 邱奕鹏教授

1. Introduction

The absorption spectral response of conventional broadband metamaterial absorbers (MMA) is usually sensitive to the light polarization when oblique incident angle increases. Normally thickness is increased, sometimes much larger than operating wavelength, to avoid the exacebation of absorption and bandwidth under oblique incidence. We adopt the concept of uni-axial perfect match layer (UPML). Transform optics is reallized to analyze the relative permittivity and permeability tensors for a uni-axial medium to build a MMA which can achieve perfect absorption without extra thickness.

This proposed wide-angle, wideband, polarization-insensitive terahertz absorptive MMA consists of a paired slot-frequency selective surface (FSS), a vertical rod VIA and a split-ring resonator (SRR) based on the design mechanism of UPML. By tailoring the dispersion of periodic VIAs and SRRs, the components of our MMA satisfy the required macroscopic material anisotropy.

2. Theory and Structure

Fig. 1 illustrates the unit cell structure of our terahertz MM absorber consisting of a multi-layered structure with four components. The top layer is resistive chromium SRR. Details of the structure can be found in [1].

Fig. 1 The unit cell of THz MMA [1].

It is well known that the electromagnetic property of a uni-axial anisotropic medium can be described as an diagonal tensor. The relative permittivity (permeability) tensor for the uniaxial medium can be expressed as,

        

 

The SRR and VIA shown in Fig. 1 determine the optical axis directions of permittivity εa and permeability μc, respectively. Through derivation of Fresnel’s coefficient on the interface where the optical-axis is parallel to the normal vector of interface between isotropic medium and uniaxial medium, the reflectionless condition can be obtain as μd = εb, εa = εb-1, and εac [1], [2].

Fig. 2 (a) The real part of εa, and εb-1. (b) The real part of εa, μc and μd. The green dashed line indicates the permeability μd in vacuum.

Each component involving VIA-rod, SRR, and slot-FSS of MMA can be tailored to make macroscopic dispersion of each part satisfying the required UPML relation. The values of effective εa, εb-1, and μc are closed to each other after 3 THz. Due to the lack of magnetic materials in high frequency regime, the value of μd for our proposed absorber is close to one without dispersion as shown in Fig. 2.

3. Full-wave Simulation

Fig. 3 Reflectance spectra of the proposed structure as function of incident angle for (a) TE polarization and (b) TM polarization. The white dash curves and black dash-dot curves indicate the gradient contours for 10% and 50% reflectance, respectively.

The MMA shown in Fig. 1 is simulated and optimized using the commercial full-wave simulation software (Ansys HFSS). The simulated reflectance spectra (Fig. 2(a) and Fig. 2(b)) show a outstand performance. The reflectance of the MM absorber is below 10% in a wide incident angles ranging from 0o to 60o for both TE and TM polarizations within the frequency regime of 0.9 to 10.5 THz, corresponding to 168% bandwidth to the central wavelength.

4. Summary

We demonstrated a wideband and wide-angle terahertz absorber based on the concept of UPML. The SRR, a bi-layered slot-FSS, and VIA structures were optimized to achieve equivalent electric and magnetic plasma frequencies and similar dispersion profiles to approach the effective permittivity and permeability tensor of an ideal UPML. The reflectance can achieve excellently below 10% from 0.9THz to 10.5THz, corresponding to 168% of the central frequency under 0o to 60o incidence, for both TE and TM waves.

Reference:

[1] S.-K. Tseng, H.-H. Hsiao, and Y.-P. Chiou, “Wide-angle wideband polarization-insensitive perfect absorber based on uniaxial anisotropic metasurfaces,” OSA Opt. Mater. Express, 10(5), 1193-1203 (2020).

[2] A. Taflove and S. C. Hagness, “Computational Electrodynamics: The FDTD method, 5th ed”, Chap. 7 (Artech House, 2007)

 

FDTD simulation analysis of the nano structures color appearances of biological creatures

Professor Snow H. Tseng’s Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

台湾大学光电所 曾雪峰教授

Abstract: Here we report a simulation approach to analyze the effect of nano structure and regularity on biological color appearances. The finite-difference time-domain (FDTD) simulation technique is employed to analyze the optical characteristics of various biological species: Morpho menelaus, Euprymna scolopes, Dynastes hercules, Hoplia coerulea, and Paracheirodon innesi. Various parameters of their optical structures are analyzed, including: size, spacing and regularity of the structure and the refractive indices of the structure’s component materials. Simulation findings demonstrate that the proposed simulation is robust, yields prediction color matching the actual color appearances observed in nature. More importantly, the reported simulation provides a means to analyze and envision the color appearance for engineered structures.

Figure. Schematics of the simulation model of various species [1-5]. The simulation variable for each model: (a) Hercules beetle: the refractive index of the gap between layered nano structures. (b) Cerulean chafer beetle: the refractive index of the gap between layered nano structures. (c) Morpho butterfly: the number of stacked nano layers. (d) Neon tetra: the width of spacing and structure thickness. (e) Hawaiian bobtail squid: thickness of the nano structure layers.

 

Reference:

[1] S. Yoshioka, B. Matsuhana, S. Tanaka, Y. Inouye, N. Oshima, and S. Kinoshita, "Mechanism of variable structural colour in the neon tetra: quantitative evaluation of the Venetian blind model," J R Soc Interface 8, 56-66 (2011).

[2] S. R. Mouchet, M. Lobet, B. Kolaric, A. M. Kaczmarek, R. Van Deun, P. Vukusic, O. Deparis, and E. Van Hooijdonk, "Photonic scales of Hoplia coerulea beetle: any colour you like," Materials Today: Proceedings 4, 4979-4986 (2017).

[3] S. Kinoshita, S. Yoshioka, Y. Fujii, and N. Okamoto, "Photophysics of Structural Color in the Morpho Butterflies," FORMA 17, 103-121 (2002).

[4] H. E. Hinton, and G. M. Jarman, "Physiological colour change in the elytra of the hercules beetle, Dynastes hercules," Journal of Insect Physiology 19, 533-549 (1973).

[5] A. R. Tao, D. G. DeMartini, M. Izumi, A. M. Sweeney, A. L. Holt, and D. E. Morse, "The role of protein assembly in dynamically tunable bio-optical tissues," Biomaterials 31, 793-801 (2010).

 

     
 
 
论文题目:一维与二维结构中消逝波之表面电浆子耦合行为及其在传感器上之应用

姓名:陈永璨   指导教授:黄建璋教授

 

摘要

本论文探讨了消逝波与表面电浆子耦合在传感器上的应用。在第一部份中,一个由周期性孔洞六角状排列的二维光子晶体被利用来作为传感器。二维光子晶体在空间中将光束绕射到不同的角度,利用位于满足相位匹配条件与成为消逝波之间的临界波长来作为判断施加在传感器表面介质的折射率。根据这样的量测机制,我们使用了葡萄糖溶液作为待测物,展示了这样的传感器具有高敏感度与低量测极限。同时,我们也使用了第四型人类疱疹病毒抗体作为待测物,观测这样的量测系统在感测抗体抗原等微小生物分子时的表现。由于生物分子表面功能化的因素,一层金薄膜加入了二维光子晶体表面,消逝波与金薄膜表面电浆极化子的耦合带来了相位匹配条件的改变,进而对传感器表面的微小生物分子有着良好的感测性。为了进一步了解两者耦合的特性,我们藉由光学仿真来观测近场分布及对应的绕射频谱,此外,不同晶格方向的量测结果也会在这一部份中探讨。在第二部份中,一个一维平面波导结构与表面沉积的奈米金球被利用来作为传感器。藉由光学仿真,研究来自波导模态的消逝波与来自奈米金球的局域表面电浆共振之耦合对表面电场的增强以及对量测结果的影响。使用葡萄糖溶液作为待测物,我们展示了在不同入射光角度下,其吸收频谱变化与近场分布,探讨这样的耦合强弱对传感器表面介质折射率的改变有何关系。同时,实验结果也被拿来作为验证仿真数据,其结果表明这样的耦合能局域地增强奈米金球表面电场,带来相当程度的灵敏度提升。

图一:(a) 二维光子晶体生物传感器量测设置 (b) 临界波长(Cut-off wavelength) (c) 量测不同浓度葡萄糖水之结果 (d-e) Γ-K与Γ-M不同晶格方向量测EBNA-1抗体之结果

图二:(a) 一维平面波导(左)、金奈米粒子(右)与两者结合(中)之生物传感器 (b) 在TM、TE mode下0度与45度入射角时,可以发现在基模下奈米金粒子的表面电场分布具有显著地增强


 
 
 

— 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、卓真禾 —

紧致设计可产生硬性X射线

X射线自由电子激光(XFEL)的出现是过去十年光子科学领域最显著的成就之一。XFEL产生超亮的X射线脉冲“闪光”,每个脉冲包含超过1000亿个光子其时间短于100飞秒(10-15秒)。这些X射线闪光可以快照观察高度激发的原子和电子,获得有关其状态的宝贵讯息,并揭露复杂化学反应和相变的先前未知的机制。

XFEL设施最初是在2000年代初期在美国和欧洲提出的,但不久之后才实现。例如,加利福尼亚的直线加速器相干光源(LCLS)1于2009年开始运行,在德国汉堡的欧洲XFEL设施2于2017年使用。科学家一直对利用这种前所未有的技术抱有很高的期望。但是,由于这些设施通常使用千米级线性加速器(直线加速器)产生高能(> 10 GeV)电子束,可以在埃(ångström)波长区域产生硬性X射线自由电子激光,由于包含大量的成本项目,其运用受到了限制。

大约10年前,在瑞士维利根(Villigen)的保罗谢尔研究所(Paul Scherrer Institut, PSI)的研究人员构思了一个雄心勃勃的计划,以构建高性能但具有成本效益的XFEL来源:SwissFEL。在2012年完成概念设计报告后,他们于2013年开始执行,于2016年观测到首次放光,并于2019年开始给一般用户使用。

SwissFEL设施建在温带森林的下方,整个机器都位于一条在草地下面的隧道内,为周围的动植物提供了一个安静祥和的环境。现在,在《自然光学》期刊中,该团队3报告了这个光源的能力,与其透过紧致的设计获得了出色的性能。他们紧致的XFEL光源在1Å波长下以100 Hz的重复频率产生了0.5 mJ的脉冲能量,总长度仅为0.74 km和中等电子束能量为5.8 GeV。

一些有趣的历史奠定了SwissFEL的灵感和成功的基础。PSI在1990年代后期先前建造的瑞士光源(SLS)肯定具有影响力。当时,三个第三代同步加速器辐射源(法国的欧洲同步加速器辐射设施(ESRF),美国的先进光子源(APS)和日本的SPring-8)已经开始使用高能量(6-8 GeV)的大型(约1 km周长)的存储环产生明亮的硬性X射线。相比之下,周长仅为288 m的SLS存储环的光束能量仅为2.4 GeV。但是,它能够通过使用短周期的真空波荡器4产生明亮的硬性X射线,当电子束穿过设置在真空室内的相对磁极之间的狭窄间隙,该波荡器会引起电子束的细微振荡。

在过去的二十年中,SLS一直产出显著的科学成就,尤其是随着先进像素探测器的发展,PSI成为公认的X射线科学和技术领域的世界领导者之一。此外,随着它们的方法传播到其它国家,世界各地已经建立了许多新的中型同步加速器辐射源。

另一个灵感来自日本紧密的XFEL光源设计,即SPring-8埃格斯特朗(Angstrom)紧致的自由电子激光(SACLA)5,这是由研究人员于2000年代初期在SPring-8上首次提出的。短周期的真空波荡器技术再次被用于产生硬性X射线FEL,甚至是由具有降低光束能量的紧致直线加速器产生的。还采用了高梯度、导通正常的C波段加速器系统来缩短加速器的总长度。SACLA于2000年代后期在SPring-8建造,并于2012年启用。

SwissFEL采纳了这种“紧凑的XFEL”概念,并通过展示5.8 GeV直线加速器可以在关键加速器技术的广泛开发下实现1ÅXFEL,将其提升到一个新的水平。SwissFEL背后的团队开发了最先进的射频枪和喷射器系统,以产生质量卓越的电子束。对于具有C频段频率的主加速器系统,他们开发了新型固态调制器来驱动速调管,以实现非常可靠和稳定的操作,重复频率为100 Hz。由于采用了这种创新的加速器技术,在两阶段群聚压缩之后,它们能够产生具有200 nm极小切片发射率和2.7 kA峰值电流的电子束。然后,这种高密度电子束被传输到所有XFEL设备中周期最短(15毫米)的真空内波荡器。最后,稳定产生明亮的XFEL脉冲,并透过高质量的X射线光学器件将其传送到实验站。在初始阶段,准备了两个配有相关仪器的实验站,用于超快光化学和凝态物理领域的研究。在2017年和2018年进行了一系列前导实验后,SwissFEL在2019年1月开始为用户提供一般服务。

在第一个XFEL设施LCLS于2009年启用后的十年中,五个设施(上述四个设施以及位于韩国浦项的浦项加速器实验室X射线自由电子激光(PAL-XFEL)6)现已作为X射线激光使用。这些设施之间的合作、互补和竞争性的使用将为使用明亮且超快的X射线脉冲解决许多科学挑战提供令人兴奋的机会。

SwissFEL不断发展,透过特殊操作模式的运用来扩展其功能。例如,它已经验证了将X射线脉冲的持续时间压缩到亚飞秒范围的方法,以及将光谱带宽扩大2%的方法。此外,第二条光束线产生软性X射线自由电子激光脉冲,用于原子、分子和光学物理学以及凝聚态物理研究(图一)。对于这种光束线,已经开发了一种名为Apple-X的新型波荡器,借助波荡器间的弯度,用户可以控制X射线脉冲的偏振和其它特性,从而实现创新的应用和研究。

图一、SwissFEL的内部。该设施的软性X射线中使用的Apple X波荡器以及波荡器中磁数组的详细视图(插图)

 

参考资料

Makina Yabashi, “Compact design delivers hard X-rays,” Nature Photonics volume 14, 715–716(2020)

https://doi.org/10.1038/s41566-020-00721-7

DOI: 10.1038/s41566-020-00721-7

参考文献:

1. Emma, P. et al. Nat. Photon. 4, 641–647 (2009).

2. Decking, W. et al. Nat. Photon. 14, 391–397 (2009).

3. Prat, E. et al. Nat. Photon. https://doi.org/10.1038/s41566-020-00712-8 (2020).

4. Kitamura, H. et al. J. Synchrotron Rad. 7, 121–130 (2000).

5. Ishikawa, T. et al. Nat. Photon. 6, 540–543 (2012).

6. Kang, H.-S. et al. Nat. Photon. 11, 708–713 (2017).

 
 
 
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