學位論文
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Item 發展利用非金屬材料之THz波前與振幅調製技術(2024) 韋怡安; Wei, Yi-An太赫茲輻射具有眾多獨特的特性，包括光子能量低、對金屬的高反射性、對水表現出強烈的吸收，以及對大多數介電材料表現出極高的穿透性。這些特性賦予太赫茲輻射在多個研究領域中的優越性。太赫茲輻射可提供有關分子之間低頻震動模式、氣體的旋轉模式和晶格內聲子模式等分子訊息，進而使太赫茲的吸收頻譜能夠清晰地分析同分異構物的組成模式。因此，太赫茲輻射在各種研究和實際應用中得到廣泛應用。然而，由於太赫茲波段相關設備仍相對缺乏，因此低耗損且高效的元件變得尤為重要。為了解決這一問題，本研究針對波前和振幅的調製分別使用了不同的方法。在波前的調製方面，採用了三種主要方法，包括透鏡、螺旋相位板以及超穎介面。透鏡利用造鏡者公式並搭配3D列印技術，透過常見3D列印材料的改良，最後所選用的材料為光固化樹脂混合30%的Al2O3，成功地製造耗損較小的太赫茲元件並有效的降低製造成本，可應用於多種系統架設及應用。隨著未來6G通訊波段提供更高速度、更大容量和極低延遲的可能性，相關研究正積極進行。在這方面，具有軌道角動量的螺旋光束展現出相當大的應用潛力。螺旋光束的拓樸數可以是任意整數，且不同拓樸數的螺旋光束呈現正交性，適用於增加通訊通道。因此要能產生這種具有軌道角動量的螺旋光束就非常重要，本研究利用了兩種方式來實現，分別是螺旋相位板以及超穎介面。螺旋相位板利用3D列印方式製造，所選用的材料與製作透鏡時相同，形成可以隨著空間旋轉的螺旋階梯狀結構，進而產生相位隨著空間旋轉的環形光斑。而超穎介面則利用表面電漿共振及Pancharatnam-Berry (PB) phase的原理，設計出漏斗結構的超穎表面，達到空間上不同相位分佈的狀態，進而實現螺旋狀的波前。在振幅的調製方面，有兩種主要方法。首先，利用磁流體其優異的磁致特性進行調製。這種方式在施加弱磁場時，磁流體中的奈米粒子會排列成鏈狀分布。透過調整磁場大小，使得鏈狀結構的緊密程度發生變化，當鏈狀之間的間距與入射光達到共振時，即實現了振幅的調製效果。其次，受到磁流體和3D列印技術的啟發，提出了第二種方式。這種方法將鏈狀結構類比為一維光子晶體，類似光柵結構。由於太赫茲對於許多介電材料有著高穿透的特性，通過適當設計結構尺寸並搭配合適材料，使其能與入射光產生高品質因子的共振。因此這種方法可以成為一種設計簡單、製程單純的元件製作方式，並在振幅的調製方面發揮作用。總而言之，這項研究不僅探討了太赫茲調製器在波前和振幅方面的特性與設計，更成功地實際製作出符合成品來匹配模擬結果。這一系列有效的調製方法為太赫茲技術的發展和應用開啟了嶄新的前景。Item 利用磁流體之兆赫相位調製器(2020) 韋怡安; Wei, Yi-An兆赫波波段目前還鮮少使用磁光效應的調製器，而調製器對於現在研究技術是一項不可或缺的重要工具，如6G通訊、成像，元素分析……等等，為了發展諸如此類的應用開始研發出相關的元件設備。而磁流體將會是我們研究的主要材料。因磁流體有著一個非常特別的超順磁特性，可以達到精準地被控制，非常適合作為調製器的材料。但由於兆赫波對於水有強烈的吸收，所以本論文中我們選擇的材料主要是以親油性磁流體為主，將利用奈米粒子皆為四氧化三鐵的不同磁流體放置在不同磁力的平行磁場下，觀察磁流體的折射率變化對兆赫波調製的結果。 首先我們先將不同種的磁流體置入兆赫波時域光譜系統，取得其光學特性，包含折射率、穿透率、吸收係數…等，證實了親油性磁流體在兆赫波波段下的優良穿透效果。再藉由磁光效應中的Voigt effect作為基本架構施加不同大小的磁場(178mT、120mT、61mT、20.6mT、9.7mT、4.8mT)改變磁流體的折射率，進而可以調變兆赫波訊號，達到相位的調變效果。實驗中，我們是使用波段為800nm的超快脈衝雷射，利用非線性晶體ZnTe產生兆赫波訊號，施加在樣品上後，分析訊號的色散與振幅變化，推得相關參數。 分析結果顯示，載液為正己烷及煤油的磁流體，因油本身對兆赫波吸收就非常小，所以親油性磁流體吸收也是極微小的。而在施以外加磁場時，除了折射率有著相關規律的變化外，也發現了以煤油為載夜的磁流體發生了一個非常特殊且有趣的現象，就是當磁場施加到約178mT時，在0.5THz處開始有一個極大的吸收峰值，此現象對於未來要研究兆赫波調製器是一項非常優越的表現。預期可行的應用有兆赫波吸收器、兆赫波偏振器及振幅調製器等等。Item 兆赫頻段下之磁流體光學常數探討(2020) 邱奕傑; Ciou, Yi-Jie磁流體為一種可以利用磁場進行控制的智能奈米流體，因為磁流體的光學、熱學、流變性質可以達到精準地控制因此被歸類為智能流體，其應用在工業上包含了無洩漏密封[1][2]、軸承潤滑液[3]，其軸承間具有磁力使得磁流體能夠完美的包覆在軸承之間達成無洩漏的密封狀態並且可以降低軸承之間的摩擦力並且此應用也在噴墨列印機上展現出優良的打印能力[4]，並且在光學上也根據其調節優越的特性成功製成了良好的光柵[5]並且對於施加不同強度的磁場還能夠產生對不同波長下使用的光學濾波片[6]，在生物醫療上因為其操控能力優越以外，磁流體的表面活性劑還能夠與生物分子的鍵結產生配對，諸如:生物感測器[7]、醫療診斷[8]、標靶治療[9]等等[10]。隨著網路技術的發達，我將研究在兆赫波段中鮮少被使用的磁光效應調制器來應對新網路時代的來臨，由於能夠在兆赫波段下產生磁光效應的材料需要斟酌，我將利用四氧化三鐵的磁流體在不同的平行磁場強度下的磁光特性對兆赫波段進行調制，藉由磁光效應所帶來的折射率變化對兆赫波產生有效的調制成果。 本論文將使用以ZnTe晶體作為兆赫波發射源的兆赫波時域光譜系統，利用高尖峰功率的飛秒雷射激發晶體產生出兆赫波並且也利用ZnTe作為兆赫波偵測器，通過離軸拋物面鏡將兆赫波導入樣品中心，最後藉由四分之一波片與Wollaston prism整理兆赫波訊號接收至光偵測器，藉由兆赫波通過前樣品與通過後的變化得出此樣品在兆赫波段的穿透率為何再以兆赫波的色散與振幅變化推算出樣品的折射率與消光係數。本研究使用親水性磁流體與親油性磁流體做出比對，以得證親油性磁流體對於兆赫頻段具有顯卓的表現。