第230期 2026年7月刊
 
最新消息與活動公告 │ 特別報導
教師研究成果專欄 │ 光電所博士班應屆畢業生研究成果專欄 │ 光電要聞
 
 
發行人:蔡睿哲所長  編輯委員:曾雪峰教授  主編:林筱文  發行日期:2026.07.30
 
 

本所林晃巖教授研究團隊(林晃巖教授、黃品茵碩士生、郭權鋒博士生、廖浩廷博士生、呂名荃碩士生、章友銓碩士生)參加SID Display Week 2026舉辦之論文競賽,榮獲Distinguished Student Paper Award,並受邀發表為Jourl. of SID vol. 34, no. 5的Best of SID special section期刊論文,特此恭賀!

 
 

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

【之八】

撰文:光電所碩士班 陳以佳

上學期的修課

先前的文章裡分享過,根特的選課蠻自由的,除了根特大學的課程,也可以去選布魯塞爾自由大學(VUB)光電所的課,總體來說就是這一年內要完成30 ECTS學分的課程及碩士論文的撰寫(也占另外30 ECTS學分)。我的修課安排為上學期四堂課20 ECTS學分,下學期二堂課8 ECTS學分,另還有一堂占整學年的實驗課為4 ECTS學分(總共32 ECTS學分)。本篇預計分享上學期的五堂課各自的形式、評分細節、修課心得等等,希望對之後參與本計畫的學弟妹有所幫助。

Recent trends

這門課的核心目標,是讓修課學生能掌握矽光子領域的最新趨勢、熱門題目與前瞻研究。學期一開始就會安排兩人一組,挑選自己感興趣的題目作為期末報告主題。整個學期會分階段進行文獻回顧、資料整理與分享,目標是最後產出一篇Review Paper(佔總成績40%)。評分標準包含同儕互評,也就是讓其他組的同學扮演讀者的角色,看看這篇報告是否夠全面、可信、公正,以及對於陌生的主題是否能解釋得淺顯易懂、並對過去文獻做合適的歸納整理。此外,期末還會上台進行口頭報告(佔總成績40%)。

這門課非常彈性,內容會跟著當年度矽光子領域的研討會或活動進行多元化的調整。我那屆除了參加幾場關於Photonic chip packaging和Metamaterials的線上研討會,還有一次兩天一夜的荷蘭校外教學(參加IEEE Benelux)。每次參加完這些活動,都會有對應的線上測驗,作為剩下20%的分數依據。

說真的,這堂課和我過去在臺灣上過的課很不一樣。沒有固定的教材、沒有作業練習也沒有期中、期末考,除了開學介紹和期末報告必須親自到場之外,其他時間大多是線上協作。雖然課程自由度很高也常常動態調整(例如老師學期中突然發現有趣的線上研討會就會加入課程內容),但整體過程非常充實不馬虎。這算是我修過最多元、彈性卻仍保有高度學習成效的一門課了。特別是在寫Review Paper的過程中,不知不覺就對該主題有了蠻深的認識,還順便練成了LaTeX這項工具與專業寫作技巧,真的是一次非常難得的經驗。

圖一、IEEE Benelux研討會的海報分享

圖二、一起參與研討會的同屆學生合照

圖三、一起參與研討會的根特大學光電所學生合照

Technological Processes for Photonics and Electronics: Laboratory

這門課是一門為期一整個學年的實作課,帶領學生完整走過晶片製程的每一個環節。課程內容相當豐富且紮實,總共包含六至七次實驗課以及一個學期末的專案實作。實驗課程涵蓋了半導體常見的製程流程與儀器操作,例如電子束微影(E-beam lithography)、乾/濕蝕刻(Dry/Wet etching)、金屬化(Metallization)、沉積(Deposition),以及該實驗室獨有的微轉印技術(Micro transfer printing)。

由於無塵室空間有限,實驗課以三人一組進行。每堂課前都必須研讀大量的原理與操作步驟,進入無塵室前,助教會進行現場問答,確保每位學生都具備足夠的背景知識。在實驗過程中,助教會親自帶領操作並點出關鍵細節,我們則負責釐清重點、記筆記,並在課後完成相關問卷,這部分的課前準備、實驗參與與課後反饋,總共佔了學期總成績的50%。

下學期開始則是專案實作階段,分為晶片設計(使用Layout軟體)、製作(部分自己動手、部分助教代勞)與量測分析三個步驟。課程重點在於製程體驗與數據比較,因此設計階段不包含複雜的軟體模擬,我們主要是基於助教設定好的元件架構(如Ring resonator或MZI),自行設計不同造型的加熱器,並透過最終的量測數據與理論值進行驗證。專案結束後,每位學生都需繳交紙本報告,並參加教授的一對一口試(教授會針對實驗流程的掌握度、報告中不合理的數據進行深入提問,並討論潛在原因與改善方案),這部分報告加上口試表現,佔了剩下50%的成績。

這門課最大的價值在於讓知識變得具體且實際。透過親手設計、製作並量測出一片晶片,我深刻體會到各個製程間的連貫性,也較理解製程誤差會如何影響結果,進而學會反思哪些環節該追求完美、哪些地方則無需過度糾結。相較於一般紙上談兵的課程,這堂課給了學生極大的實戰感,如果想要累積晶片製作經驗,非常推薦修習這門課。

圖四、在無塵室黃光室進行實驗課

圖五、在無塵室進行晶片電阻測試

Optical Design of Non-Imaging Systems with Ray-tracing Software

這是我在VUB修過的唯一一門課。當時主要是被課程介紹吸引,想藉此學習光學追蹤模擬軟體(Zemax),加上想到每週能去比利時首都布魯塞爾逛逛,便大膽選了這堂課。雖然選課時沒找熟人,但後來幸運地發現朋友(暱稱鯨魚)也選了同一門,我們便在那段期間一起同甘共苦、共同成長。

這門課延續了根特大學與VUB一貫的彈性教學風格。特別是在疫情之後,學校建立了非常完善且公平的遠端上課機制,每堂課不僅提供實體授課,還有同步直播與課後錄影,對住在布魯塞爾以外(如根特或安特衛普)的學生非常友善。老師完全不會因為學生缺席實體課而扣分,一切皆以學習成果為導向,這種務實的態度讓我非常敬佩。

課程內容主要聚焦於Zemax的操作教學(若有人想自學並使用ASAP軟體,老師也持開放態度)。老師準備的投影片非常詳細,教學步驟也很有耐心。學期中會有幾次練習作業,作為階段性的學習評估,這部分可以選擇個人或兩人一組(我都是和暱稱鯨魚的朋友一起搭檔),這些練習佔總成績的40%。

期末Project的自由度很高,主題不限,學生可以自行運用Zemax模擬複雜的光學系統,或是對同一個Benchmark進行Zemax與ASAP的模擬比對。評分標準除了繳交詳盡的紙本報告外,還需出席教授的一對一口試。Project佔了學期總成績的60%,其中內容品質與完成度佔30%,紙本報告完整度與口試表現(含QA)各佔15%。

當時突發奇想地將這門課與我在臺灣的碩士論文內容結合,我選定「OCT(光學同調斷層掃描)」作為模擬主題。必須誠實地說,要在Zemax中完整重現整套OCT系統的難度極高,最終我選擇折衷,專注於模擬OCT的干涉儀端,並成功在偵測器上呈現出干涉條紋的變化及干涉距離的比較。當初選這個題目,是想或許能將所學與碩士論文進行驗證,雖然最後無法完整模擬量測環節,但老師對於這個主題的獨特性(很少有人選清單以外的主題)及我報告的紮實程度給予了高度讚賞,這也為我修習這堂課畫下了美好的句點。

圖六、去VUB上課就需要搭火車通勤

圖七、進行完這堂課的期末報告當天,放下了心中的大石頭,在VUB空教室裡拍攝令人心曠神怡的一張照片

Engineering Economy

這堂工程經濟學是跨領域課程中的熱門之選,修課人數將近70人,是我所有課程中規模最大的一堂。課程的核心不在於工程技術,而是藉由經濟學的視角,帶領我們分析工程專案及各類實際案例的經濟效益。課程內容涵蓋廣泛且紮實,除了基本的經濟成本分類、收益、淨利、通膨與折舊外,更深入探討了工程決策核心的經濟理論與模型,例如:現值分析(Present Worth Analysis)、投資報酬率(ROI)、內部報酬率(IRR)、損益平衡點分析(Break-even Analysis)、敏感度分析(Sensitivity Analysis)與生命週期成本(LCC)等。此外,為了讓我們理解複雜的商業生態,課程亦引入了長尾效應(The Long Tail)、規模經濟(Economies of Scale)、成本效益分析(Cost-Benefit Analysis)以及各類定價策略與風險管理模型。這堂課就像是某些數學題的「終極進化Max版」,透過大量的Excel操作與數學運算,將抽象理論應用於實際案例,讓人非常有感。

學期中共有四次主題練習,學生必須在課前自行研讀教學影片與紙本教材,務必對定義與公式瞭若指掌。建議充分利用課程平台提供的練習題,因為在實體分組練習時,我們需要迅速進入案例情境,與組員合作進行複雜的數據分析、比較與呈現,過程中必須精準考量各項細節與變數的相互影響。這些主題練習的參與度與結果,共佔總成績的25%。

剩餘的75%則由期末紙本考試決定,包含兩大區塊:一半是理論問答,全為選擇題,但考驗對文字定義與分類的細節理解,難度頗高;另一半則是計算題。這些題目如同前述,是極具挑戰性的實務應用題,但只要練習充足,在運算過程中保持冷靜、不忙中出錯,應該都能得出正確解答。

總體而言,這是一堂非常特別的課程。在碩士階段,能有時間與精力跨領域學習非工程類的專業知識,是非常珍貴的機會。這門課的經濟學深度遠遠超過一般的概論,學習過程充滿挑戰,但當真正釐清觀念並融會貫通時,那份成就感也確實難能可貴。如果你對數學不排斥,真的很推薦撥空修習,不過也要提醒,這門課確實需要投入相當多的時間與精力。

VLSI Technology and Design

這是一門兼具高度實作與深厚理論的課程,學期成績由Project(35%)與期末一對一口試(65%)組成。這門課最特別的地方,在於它不是單純的軟體練習或死背考卷,而是要求你將積體電路設計(IC Design)的理論,應用在真實的Project設計上。

Project部分的題目是為LCoS微顯示器設計並Layout一個驅動電路用的動態移位暫存器(Dynamic Shift-Register)。我們兩人一組,學期中開始,每週固定撥出兩小時到電腦教室使用Cadence軟體進行實作(因為軟體授權限制,無法安裝在個人筆電)。依據Project的要求,我們必須完成電路設計(Schematic)、模擬(分析頻率與漏電流),並將Layout的間距(Pitch)精準控制在20μm。過程中在電路效能、晶片面積,以及強光環境下造成的漏電流影響之間不斷嘗試與平衡,考驗我們對於電晶體參數調整的邏輯(在紙本報告中也需敘述清楚設計邏輯)。

至於期末考試,則是與教授進行一對一的口試。老師直接打開課堂投影片,隨機挑選某幾頁問你:「這頁在講什麼?重點是什麼?」 口試範圍就是上課所教的知識,涵蓋了半導體物理(如能帶理論、MOSFET工作模式)、IC製程(如蝕刻、沉積)以及電子封裝(如Wire bonding、Flip-chip)等知識。

總結來說,這門課對光電所學生來說很不容易。這堂課是我初次嘗試學習IC設計領域的一些知識,如此嚴謹的教學模式下,每週還要額外花時間去電腦教室報到,而且期末口試的壓力也不小。實際修課之後,我會比較推薦原本就有背景基礎的人(例如電機系或電子系)再去學習會更有助益,或者也推薦給想額外挑戰光電所較少教授的IC設計課程的人去嘗試。【精彩內容,下期待續~】

 

撰文:光電所碩士班 林宇凡

歐洲的教堂

在歐洲旅遊,教堂是每個城市必去的景點。基督教在歐陸傳播千年,教堂早已不只是神權的象徵,更是城市文化的中心。若想要到最有韻味的舊城區一逛,尋找當地最大的教堂便是。此外,歐洲多小城,且舊城區通常保護良好,建築時會刻意避讓宏偉的歷史古蹟,故我們遊走在城鎮裡頭,只要抬頭,很容易就能看見教堂哥德式的塔樓矗立,方便我們辨識方向。

在根特,有著名的根特三塔,分別是:聖巴夫主教座堂、根特鐘樓和聖尼可拉斯教堂。此三棟建築物比鄰而居,矗立在根特舊城區最精華的位置。在兩座教堂前面皆有廣場供人們聚集休憩,之前提過的聖誕市集便舉辦在這裡。我特別想提到的是聖尼可拉斯教堂前的廣場,每到週末下午,人潮熙熙攘攘,處處可見旺盛人氣,行人、腳踏車、輕軌相互穿行。若有妖物以人的精氣為食,站在這裡,必可以滿載而歸。

聖巴夫主教座堂位於舊城區東側,是當地最重要的教堂,但說實在的,在我看起來跟聖尼可拉斯教堂相去不遠。當時還很困惑這兩間教堂蓋那麼近究竟有何意義,會不會有教區重疊之類的問題。後來詢問AI才知道,原來聖巴夫是屬於「皇家與主教」的頂層象徵,而聖尼可拉斯則是緊鄰碼頭、由當地「富商與平民行會」出資興建的。一間代表權力核心,一間代表庶民經濟,兩者並存反而見證了根特中世紀時的富裕與多元。

在教堂裡面坐著會有一種特別的感受。在描述這種感受前,我要鄭重澄清,我不信教,可以先把我當成一個無神論者。在教堂裡,會是一個巨大的空間,厚重的石牆隔絕了外界所有的雜音,令人忍不住放輕腳步。更因為如此,我們能聽到許多以往聽不到的聲音,例如教堂內管風琴的鳴叫、周遭旁人的步伐、袖口摩擦褲管的聲響,甚至自己的呼吸和心跳。這種對聲音的「掌握」就像聆聽交響樂一般,使人感官得到共鳴。正因如此,教堂的魅力是如此吸引著我,以至於每到一個城市,必定會去參觀它的教堂。

其中,哥德式的教堂是我的最愛。例如位於德國的科隆大教堂,立面上繁複的裝飾與高聳的尖塔,在宗教的神聖氛圍下,因各種文學作品的烘托而帶有一種深幽弔詭的氣息;在陽光照射下,更呈現出一種金黃色的質感,沉澱著古樸的重量。巴黎聖母院則是哥德式建築的代表,擁有特有的飛扶壁結構與用於分散重量的尖拱。站在教堂內,陽光穿透北側直徑13公尺的玫瑰花窗,七色光映入眼簾,破碎如波光粼粼的海面。聖母院在2019年曾遭祝融,木製塔樓全毀,暫停開放並修復了好長一段時間。幸運的是,在我離開歐洲前它及時完成修復,讓我有機會登上這座巴黎的象徵。

位於土耳其伊斯坦堡的聖索菲亞大教堂則是完全不同的體驗。確切來說,它現在已不是教堂—在鄂圖曼土耳其突破君士坦丁大帝的防線後,便被改建成了清真寺,但依舊保留了拜占庭式建築最大的特色:無比寬大的巨型圓頂。走在這座建築之中,深刻感受到歷史改變的瞬間就在眼前,一眼萬年,我想,這就是所謂人文的厚度。【全文完】

圖一、德國科隆大教堂立面

圖二、巴黎聖母院石像鬼與巴黎市景

 

 
 

Structural properties of granular Bi thin film grown on Si(111) substrate

Professor Hao-Hsiung Lin's Laboratory

Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University

臺灣大學光電所 林浩雄教授

Bismuth is a semimetal with interesting physical and electrical properties [1-2]. Recently, Bi has been used in the ohmic contacts of electronic devices, exhibiting nearly surface pinning free behavior [3]. In the van-der-Waals epitaxy of the granular Bi thin films on (111) Si substrates, Bi hexagonal bilayer was shown in a 6 to 7 registration with the Si (111), corresponding a strain of ~2% [4]. Recently, we proposed a coincidence-site lattice model to generalize the registrations of Bi (0003) on Si (111) [5] In this work, we investigate the granular characteristics of textured Bi grains on Si (111). The squared Williamson-Hall and Halder-Wagner methods [6] were used to analyze the full width at half maximum (FWHM) of XRD peaks, allowing the separation of the size and strain broadening and thereby enabling the determination of the average grain size and microstrain. The latter represents the variation in strain distribution, induced by lattice imperfections. The results of grain size are shown in Fig. 1. We found that the vertical grain size exceeds 40 nm. For samples with thickness <40 nm, the size broadening is limited by the thickness. The presence of the grain boundaries in the thicker samples could explain their rapid strain relaxation. Fig. 2 shows the relationship between the average strain, determined from Bragg’s angle, and the microstrain. For samples with a thickness <40 nm, both the average strain and microstrain are on the order of 10-3. In these samples, grains are formed on the growth plane. The high microstrain suggests that each grain of the sample has a different thickness and registration. According to ab initio calculations [4], for ultrathin free-standing Bi, the lattice constant c increases with the increasing thickness. In addition, different coincidence-site lattices result in different strains [5]. However, as the thickness increases, the strain in each grain is gradually released and the microstrain correspondingly reduces to the order of 10-4.

 

Fig. 1. Vertical grain size as a function of film thickness.

Fig. 2. Strain as a function of microstrain.

Reference:
[1] Y. Liu, and R. E. Allen, Phys. Rev. B 52, 566, 1995
[2] B. Seradjeh, J. S. Wu, and P. Phillip, Phys. Rev. Lett. 103, 136803, 2009
[3] P. C. Shen, C. Su, Y. Lin et al., Nature 593, 211, 2021
[4] S. Yaginuma, T. Nagao, J.T. Sadowski et al., Surface science 601, 3593, 2007
[5] C.-H. Wu, C. Chou, and H.-H. Lin, Scientific Reports 13, 19769, 2023
[6] S. A. Hassanzadeh-Tabrizi, J. Alloys Compd. 968, 171914, 2023

 

 
 

論文題目:異質整合VCSEL陣列封裝於共同封裝光學系統之光機電整合設計與結構完整性分析

姓名:林恭安   指導教授:吳肇欣教授

 

摘要

本論文探討應用於高密度共封裝光學(Co-Packaged Optics, CPO)之異質整合垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)陣列封裝,聚焦於機械–光學協同設計與結構完整性最佳化。隨著人工智慧(Artificial Intelligence, AI)與高效能運算快速發展,資料中心對高頻寬、低延遲及低功耗光互連的需求日益提升,推動共封裝光學與異質整合封裝技術的快速發展。本研究以VCSEL陣列之翻晶接合(flip-chip bonding)封裝為核心,系統探討封裝製程中熱–機械效應對元件可靠度及光學性能之影響。研究針對金凸塊(Au bump)平整化製程、鍵合對位精度及鍵合頭設計等關鍵製程參數,分析其對接觸應力、裂紋形成、封裝變形及發光均勻性之影響。研究結合有限元素分析(FEA)模擬熱壓接(thermo-compression bonding)過程中的應力演變與變形行為,並透過光學量測、電性分析及可靠度試驗進行驗證,以建立機械應力與光輸出亮度之間的定量關聯。進一步建立應力–亮度分析架構,整合接觸力學、熱傳效應及光發射行為,釐清多物理耦合機制對VCSEL封裝性能之影響。研究結果顯示,適當控制封裝應力與鍵合條件,可有效提升電性接觸效率、降低局部應力集中及裂紋風險,並改善發光均勻性、光輸出效率及元件長期可靠度。此外,本論文亦探討晶粒對晶粒(die-to-die)鍵合架構及基板中介層(interposer)之異質整合平台,提出兼具高良率、機械穩健性與優異光學性能之封裝設計準則。圖一所示為VCSEL陣列與Interposer之異質整合封裝架構,可呈現本研究分析之封裝平台與光電元件配置;圖二則說明共封裝光學於AI與HPC系統之應用情境,突顯本研究於高速光互連、高頻寬傳輸及高可靠度光電封裝之重要性,可支援新世代AI資料中心及高速光通訊系統之發展。

圖一、VCSEL陣列封裝與Interposer異質整合之結構示意圖,呈現研究對象及flip-chip封裝架構。

圖二、AI/HPC應用情境示意圖,說明本研究之應用背景與未來發展。

 

 

 
 

— 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、郭權鋒 —

超快向量手性光學顯微技術

超快手性光學訊號(ultrafast chiroptical signals)在空間與時間上同時成像一般公認極具挑戰。如今,能夠編碼偏振資訊的離軸多工全像術(multiplexed off-axis holography)使得研究人員得以在超快廣視角條件下,對樣品的瞬態光學活性(transient optical activity)、相位與吸收進行成像。

在光學領域,手性表現為材料對左、右旋偏振光的差異性響應。此特性在物理、化學與生物學中具有關鍵意義,影響範圍涵蓋分子識別乃至複雜材料的自旋軌道耦合動力學。其量化通常依賴光學方法,如圓二色性(Circular dichroism, CD)與旋光色散(Optical rotatory dispersion, ORD)。

在超快時間尺度下同時實現高空間解析度的手性光學訊號探測,長期以來皆面臨重大挑戰。由於訊號本質微弱,時間解析測量必須在低強度的手性背景上捕捉光致激發所造成的細微變化。因而,超快手性光譜技術歷來僅能進行空間平均的測量。

另一方面,超快廣視角顯微術在過去十年間取得了顯著進展,尤以瞬態吸收成像為代表。這些方法揭示了多種材料中載流子動力學、擴散與無序的空間異質性。然而,它們通常僅探測純量可觀測量,因而無法全面捕捉光–物質交互作用的向量特性。迄今所缺乏的,正是一種能在單一實驗平台上結合超快時間解析度、寬視角空間成像以及完整偏振靈敏度的方法。

如今,Hörmann等人於Nature Photonics報導,透過離軸多工全像術提出了一種超快廣視角手性光學顯微鏡(圖一[1]),以回應此一挑戰[2]。其核心概念在於將超短探測脈衝的兩個正交偏振分量編碼至傅立葉空間的不同區域,使得與各分量相關的複數電場能在每一個影像像素中獨立重建。藉由這些場解析測量,可獲取局部偏振橢圓,進而在空間與泵浦–探測延遲的函數下同時檢索圓二色性(CD)與旋光色散(ORD)。與此同時,該方法亦能存取瞬態吸收與瞬態相位影像,從而提供超快光學響應的向量化描述。

 

圖一、向量化響應成像的概念[1]。藍色光束代表探測光束,紅色光束代表參考光束,顯示它們經由透鏡匯聚並導向樣品,向量資訊則由物鏡捕捉。樣品所產生的向量化響應以不同顏色與形狀呈現—箭頭所指示之處—代表不同的發射偏振態。

此平台的一項關鍵優勢在於其對強度雜訊的內在抑制。在傳統的超快手性光學測量中,探測光強度的波動往往主導雜訊來源,並嚴重限制靈敏度。在此方法中,手性光學可觀測量是由偏振分量之間的相對振幅與相位差所提取,而非依賴絕對強度變化。這使得測量對共模振幅雜訊基本不敏感,其性能可與光學橋式檢測相媲美,同時將此能力延伸至寬視角成像配置。正如Hörmann等人於論文中所詳述,這種雜訊抑制源自於單幀內的全像平衡以及快速的泵浦開/關差分。

作者進一步以有機–無機混合鈣鈦礦為樣品展示此技術的能力,其中強烈的自旋–軌道耦合使得圓偏振激發能選擇性地填充自旋極化態。在溴化鉛甲胺鈣鈦礦(methylammonium lead bromide)中,該顯微鏡解析出橫跨數十微米視野的法拉第旋轉—表現為旋光色散(ORD)的變化—從而在實空間中捕捉皮秒尺度的自旋弛豫動力學。透過系統性比較相反旋向的圓偏振激發與線偏振激發,測量結果得以區分真正的手性光學響應與非手性的電子貢獻,凸顯了向量化重建的穩健性。

在混合鹵素鈣鈦礦上的實驗提供了進一步的洞見,其中寬視角手性光學影像揭示了微米尺度的區域,呈現瞬態旋光色散(ORD)符號相反的特徵。乍看之下,這些圖樣可能被誤認為是具有相反磁化的自旋區域。然而,瞬態相位影像的存取證明至關重要。透過將ORD與光學相位變化相關聯,並調整探測光子能量,作者顯示所觀察到的空間異質性源自於局域能隙變化,而非真正的自旋區域形成。此例突顯了一個更廣泛的意涵:若缺乏向量化資訊,超快手性光學成像可能會將不同的物理機制混淆,因為它們在基於強度的對比中呈現相似的表徵。

超越均勻照明的超快成像,此平台亦能在真實空間中探究超快自旋傳輸。透過具繞射極限泵浦點列陣的圖樣化激發,作者追蹤自旋弛豫與載流子擴散隨激發密度變化的耦合演化。測量結果顯示,隨著激發密度增加,伴隨著更快速的空間傳輸以及更迅速的自旋極化消失,這與增強的載流子–載流子散射相符,並反映在超快時間尺度下自旋與電荷動力學之間的競爭。此類行為若僅依賴空間平均測量,則難以加以區分。

超快全像手性光學顯微術的潛在影響遠不止於鈣鈦礦(perovskites)。在手性電漿子與超材料系統中,此技術可闡明奈米尺度幾何如何支配超快光學活性。對於複雜材料與生物樣品,時間解析偏振成像或可揭示瞬態構象動力學與手性激發,這些現象往往難以透過傳統顯微方法加以探測。更廣泛而言,能夠在空間中映射超快偏振動力學,開啟了偏極化量測的新契機,使光成為對稱性探測、手性與自旋相關交互作用的敏感工具。

更廣泛而言,超快全像手性光學顯微術展現了向量化超快光學的優勢與潛能,在此框架中,振幅、相位與偏振被視為同等重要的可觀測量。

然而,挑戰仍然存在,包括光學裝置架構的實驗複雜性,以及需控制由離軸幾何與高數值孔徑成像所引入的向量化偏振像差。然而,這些限制主要屬於技術層面,而非根本性問題。Hörmann等人於本研究中對此議題的審慎處理,顯示出該方法邁向更廣泛應用與進一步發展的明確途徑。

透過在單一平台中結合超快時間解析度、寬視角成像與偏振敏感檢測,超快全像手性光學顯微術為研究手性與自旋相互動力學提供了一條強而有力的新途徑。此技術代表著邁向在超快時間尺度下觀察,並最終操控向量化光–物質交互作用的重要一步。

 

圖二、超快寬場手性光學顯微鏡[2]。a、使用兩束交叉偏振的參考波獲取泵浦開/關全像圖,並進行空間傅立葉轉換。b–f、對每一偏振檢索振幅與相位影像(b),進而得到超快寬視角瞬態吸收TA與瞬態相位影像(c),以及每一像素在泵浦開與關條件下的偏振橢圓EL/ER(d),由此可計算超快光學旋光度 ∆ORD (e) 與圓二色性 ∆CD (f) 影像。比例尺:10 µm。g、實驗裝置示意圖。插圖(1):離軸幾何結構。插圖(2):探測光 Eprobe 與參考光ERxERy的偏振方向。
縮寫:NOPA,非共線光參量放大器;HWP,半波片;BS,分光鏡;LPF,長波通濾光片;QWP,四分之一波片。

 

參考資料:

[1] He, H., He, C. "Vectorial ultrafast chiroptical microscopy." Nat Photon 20, pages 486–487 (2026)
https://doi.org/10.1038/s41566-026-01861-y
DOI:10.1038/s41566-026-01861-y

參考文獻:

[2] Hörmann, M., Visentin, F., Gessner, J.A. et al. "Ultrafast holographic chiroptical microscopy." Nat Photon 20, pages 592–599 (2026)
https://doi.org/10.1038/s41566-025-01824-9
DOI:10.1038/s41566-025-01824-9

 

 
 
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