第170期 2021年1,2月刊
 
 
 
發行人:黃建璋所長  編輯委員:曾雪峰教授  主編:林筱文  發行日期:2021.01.30
 
 
9月份「光電所專題演講」(整理:姚力琪)
時間: 109年9月18日(星期五)下午2時20分
講者: 林群倫協理(鴻海集團董事長辦公室)
講題: 跨領域創新—從新創公司到科技大廠的故事
 

林群倫協理(中)與本所黃升龍教授(左)、李翔傑教授(右)合影

 

10月份「光電所專題演講」(整理:姚力琪)
時間: 109年10月23日(星期五)下午2時20分
講者: 許炳堅講座教授(長庚大學工學院講座教授)
講題: 善用個人專長與資源,迎接人工智慧時代
 

許炳堅教授(中)與本所所長黃建璋教授(右)、李翔傑教授(左)合影

 

時間: 109年10月30日(星期五)下午2時20分
講者: 施天從教授(國立高雄科技大學電機與資訊學院院長)
講題: 高速光纖網路與矽光子模組技術
 

施天從教授 (右二)與本所所長黃建璋教授(左二)、林恭如教授(右一)、李翔傑教授(左一)合影

 

11月份「光電所專題演講」(整理:姚力琪)
時間: 109年11月27日(星期五)下午2時20分
講者: 蔡慶祥資深副總經理(WI Harper Group/美國中經合集團 )
講題: 創業X創投—從創投看新創企業的投資機會
 

蔡慶祥資深副總經理(右)與本所李翔傑教授(左)合影

 

12月份「光電所專題演講」(整理:姚力琪)
時間: 109年12月4日(星期五)下午2時20分
講者: 陳怡然董事長(南方科技股份有限公司)
講題: 從科技新創產業經歷看跨領域整合的重要性
 

陳怡然董事長(右)與本所李翔傑教授(左)合影

 

時間: 109年12月11日(星期五)下午2時20分
講者: 黃智文資深協理/王希維技術副處長(穩懋半導體股份有限公司 )
講題: 化合物半導體產品應用及產業趨勢介紹
   

兩位講者與本所所長黃建璋教授(左一)、李翔傑教授(右一)合影

 

時間: 109年12月18日(星期五)下午3時30分
講者: 顏俊翔經理(台灣應用材料公司)
講題: 職涯分享
 

顏俊翔經理(右)與本所李翔傑教授(左)合影

 

時間: 109年12月25日(星期五)下午2時20分
講者: 梁嘉新處長(均豪精密工業(股)公司/視覺系統處)
講題: 自動光學檢測與人工智慧
 

梁嘉新處長(右)與本所李翔傑教授(左)合影

 

1月份「光電所專題演講」(整理:姚力琪)
時間: 110年1月15日(星期五)下午2時20分
講者:

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)

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

本次講者(右)與本所副所長吳育任教授(左)合影

 

 

~ 2020光電所期末餐會  花絮報導  ~

(時間:109年12月18日;地點:臺灣大學電資學院明達館3F中庭廣場)

花絮整理:所學會會長鍾鎮遠

12月18日適逢冬至前夕,光電所所學會舉辦了期末聚餐。首先要感謝所學會的成員,願意在繁忙的研究中抽出時間參加所學會,也特別感謝所辦公室的幫忙,經過兩個月不到的準備時間,我們如期在歲末邀請光電所的大家一同參與餐會。

圖一、美宣場地布置

圖二、活動當天入場情形

我們的美宣組在背後默默守護整個會場品質,從海報設計到活動道具布景,希望藉由美麗的觀感享受,在享受美食及刺激的抽獎之餘,能感受到與活動互相呼應的聖誕歲末派對氣息!

圖三、參與活動的同學

圖四、同學們依序取餐

本次活動我們為同學們提供美味的外燴餐點與飲料,菜單更是精心挑選,除了基本的飯菜,還有沙拉、西米露和許多甜點,中場休息時再提供了pizza,希望讓所有參與的同學,能邊享用午餐邊參與活動及抽獎。

圖五、點心部分

圖六、所長致詞

我們請到光電所舉足輕重的人物—光電所所長黃建璋教授為我們致詞勉勵,所長也為我們帶來了精采的抖肩舞表演並高歌一首「挪威的森林」,現場氣氛瞬間熱絡到最高點。

圖七、中獎同學一起揭開自己的獎項

圖八、最大獎Switch 5得獎者

這次大獎不但提供Switch、Apple藍牙耳機,也有吃到飽餐卷等等大獎,希望抽到大獎的各位同學都能夠盡情享受我們的獎品。沒有抽到獎品的人,也希望會喜歡我們的入場禮,謝謝所有同學入場時的耐心等待。

圖九、競爭激烈的「光電知識王」

圖十、主持人主持遊戲「餘音繚繞」

當天團體遊戲的設計,主要期盼藉由遊戲分組,有機會更認識所上的同學。希望本次活動成功地在今年的歲末帶給大家溫暖與歡樂,活動中看見光電所同學們的笑容是工作人員的動力,感謝大家的熱情參與。

圖十一、辛苦的工作人員們

圖十二、所學會成員們合影

 
 

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

臺灣大學光電所 邱奕鵬教授

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

臺灣大學光電所 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).

 

     
 
 
論文題目:一維與二維結構中消逝波之表面電漿子耦合行為及其在感測器上之應用

姓名:陳永璨   指導教授:黃建璋教授

 

摘要

本論文探討了消逝波與表面電漿子耦合在感測器上的應用。在第一部份中,一個由週期性孔洞六角狀排列的二維光子晶體被利用來作為感測器。二維光子晶體在空間中將光束繞射到不同的角度,利用位於滿足相位匹配條件與成為消逝波之間的臨界波長來作為判斷施加在感測器表面介質的折射率。根據這樣的量測機制,我們使用了葡萄糖溶液作為待測物,展示了這樣的感測器具有高敏感度與低量測極限。同時,我們也使用了第四型人類皰疹病毒抗體作為待測物,觀測這樣的量測系統在感測抗體抗原等微小生物分子時的表現。由於生物分子表面功能化的因素,一層金薄膜加入了二維光子晶體表面,消逝波與金薄膜表面電漿極化子的耦合帶來了相位匹配條件的改變,進而對感測器表面的微小生物分子有著良好的感測性。為了進一步瞭解兩者耦合的特性,我們藉由光學模擬來觀測近場分布及對應的繞射頻譜,此外,不同晶格方向的量測結果也會在這一部份中探討。在第二部份中,一個一維平面波導結構與表面沉積的奈米金球被利用來作為感測器。藉由光學模擬,研究來自波導模態的消逝波與來自奈米金球的局域表面電漿共振之耦合對表面電場的增強以及對量測結果的影響。使用葡萄糖溶液作為待測物,我們展示了在不同入射光角度下,其吸收頻譜變化與近場分布,探討這樣的耦合強弱對感測器表面介質折射率的改變有何關係。同時,實驗結果也被拿來作為驗證模擬數據,其結果表明這樣的耦合能局域地增強奈米金球表面電場,帶來相當程度的靈敏度提升。

圖一:(a) 二維光子晶體生物感測器量測設置 (b) 臨界波長(Cut-off wavelength) (c) 量測不同濃度葡萄糖水之結果 (d-e) Γ-K與Γ-M不同晶格方向量測EBNA-1抗體之結果

圖二:(a) 一維平面波導(左)、金奈米粒子(右)與兩者結合(中)之生物感測器 (b) 在TM、TE mode下0度與45度入射角時,可以發現在基模下奈米金粒子的表面電場分佈具有顯著地增強


 
 
 

— 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、卓真禾 —

緊緻設計可產生硬性X射線

X射線自由電子雷射(XFEL)的出現是過去十年光子科學領域最顯著的成就之一。XFEL產生超亮的X射線脈衝“閃光”,每個脈衝包含超過1000億個光子其時間短於100飛秒(10-15秒)。這些X射線閃光可以快照觀察高度激發的原子和電子,獲得有關其狀態的寶貴訊息,並揭露複雜化學反應和相變的先前未知的機制。

XFEL設施最初是在2000年代初期在美國和歐洲提出的,但不久之後才實現。例如,加利福尼亞的直線加速器相干光源(LCLS)1於2009年開始運行,在德國漢堡的歐洲XFEL設施2於2017年使用。科學家一直對利用這種前所未有的技術抱有很高的期望。但是,由於這些設施通常使用千米級線性加速器(直線加速器)產生高能(> 10 GeV)電子束,可以在埃(ångström)波長區域產生硬性X射線自由電子雷射,由於包含大量的成本項目,其運用受到了限制。

大約10年前,在瑞士維利根(Villigen)的保羅謝爾研究所(Paul Scherrer Institut, PSI)的研究人員構思了一個雄心勃勃的計劃,以構建高性能但具有成本效益的XFEL來源:SwissFEL。在2012年完成概念設計報告後,他們於2013年開始執行,於2016年觀測到首次放光,並於2019年開始給一般用戶使用。

SwissFEL設施建在溫帶森林的下方,整個機器都位於一條在草地下面的隧道內,為周圍的動植物提供了一個安靜祥和的環境。現在,在《自然光學》期刊中,該團隊3報告了這個光源的能力,與其透過緊緻的設計獲得了出色的性能。他們緊緻的XFEL光源在1Å波長下以100 Hz的重複頻率產生了0.5 mJ的脈衝能量,總長度僅為0.74 km和中等電子束能量為5.8 GeV。

一些有趣的歷史奠定了SwissFEL的靈感和成功的基礎。PSI在1990年代後期先前建造的瑞士光源(SLS)肯定具有影響力。當時,三個第三代同步加速器輻射源(法國的歐洲同步加速器輻射設施(ESRF),美國的先進光子源(APS)和日本的SPring-8)已經開始使用高能量(6-8 GeV)的大型(約1 km周長)的存儲環產生明亮的硬性X射線。相比之下,周長僅為288 m的SLS存儲環的光束能量僅為2.4 GeV。但是,它能夠通過使用短週期的真空波蕩器4產生明亮的硬性X射線,當電子束穿過設置在真空室內的相對磁極之間的狹窄間隙,該波蕩器會引起電子束的細微振盪。

在過去的二十年中,SLS一直產出顯著的科學成就,尤其是隨著先進像素探測器的發展,PSI成為公認的X射線科學和技術領域的世界領導者之一。此外,隨著它們的方法傳播到其他國家,世界各地已經建立了許多新的中型同步加速器輻射源。

另一個靈感來自日本緊密的XFEL光源設計,即SPring-8埃格斯特朗(Angstrom)緊緻的自由電子雷射(SACLA)5,這是由研究人員於2000年代初期在SPring-8上首次提出的。短週期的真空波盪器技術再次被用於產生硬性X射線FEL,甚至是由具有降低光束能量的緊緻直線加速器產生的。還採用了高梯度、導通正常的C波段加速器系統來縮短加速器的總長度。SACLA於2000年代後期在SPring-8建造,並於2012年啟用。

SwissFEL採納了這種“緊湊的XFEL”概念,並通過展示5.8 GeV直線加速器可以在關鍵加速器技術的廣泛開發下實現1ÅXFEL,將其提升到一個新的水準。SwissFEL背後的團隊開發了最先進的射頻槍和噴射器系統,以產生品質卓越的電子束。對於具有C頻段頻率的主加速器系統,他們開發了新型固態調制器來驅動速調管,以實現非常可靠和穩定的操作,重複頻率為100 Hz。由於採用了這種創新的加速器技術,在兩階段群聚壓縮之後,它們能夠產生具有200 nm極小切片發射率和2.7 kA峰值電流的電子束。然後,這種高密度電子束被傳輸到所有XFEL設備中周期最短(15毫米)的真空內波盪器。最後,穩定產生明亮的XFEL脈衝,並透過高品質的X射線光學器件將其傳送到實驗站。在初始階段,準備了兩個配有相關儀器的實驗站,用於超快光化學和凝態物理領域的研究。在2017年和2018年進行了一系列前導實驗後,SwissFEL在2019年1月開始為用戶提供一般服務。

在第一個XFEL設施LCLS於2009年啟用後的十年中,五個設施(上述四個設施以及位於韓國浦項的浦項加速器實驗室X射線自由電子雷射(PAL-XFEL)6)現已作為X射線雷射使用。這些設施之間的合作、互補和競爭性的使用將為使用明亮且超快的X射線脈衝解決許多科學挑戰提供令人興奮的機會。

SwissFEL不斷發展,透過特殊操作模式的運用來擴展其功能。例如,它已經驗證了將X射線脈衝的持續時間壓縮到亞飛秒範圍的方法,以及將光譜帶寬擴大2%的方法。此外,第二條光束線產生軟性X射線自由電子雷射脈衝,用於原子、分子和光學物理學以及凝聚態物理研究(圖一)。對於這種光束線,已經開發了一種名為Apple-X的新型波盪器,借助波盪器間的彎度,用戶可以控制X射線脈衝的偏振和其他特性,從而實現創新的應用和研究。

圖一、SwissFEL的內部。該設施的軟性X射線中使用的Apple X波盪器以及波盪器中磁陣列的詳細視圖(插圖)

 

參考資料:

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

參考文獻:

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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