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研究生: 匡子政
Kuang, Tzu-Cheng
論文名稱: 表面電漿子鎖定之Smith-Purcell輻射用以產生光匯聚光點之研究
Generation of convergent light beams by using surface plasmon locked Smith-Purcell radiation
指導教授: 藍永強
Lan, Yung-Chiang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Photonics
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 52
中文關鍵詞: Smith-Purcell輻射表面電漿電子束匯聚光點
外文關鍵詞: Smith-Purcell Radiation, Surface Plasmons, electron bunch, convergent beam
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  • 電子束在經過週期性光柵結構時,會發射輻射,而此輻射我們稱之為Smith-Purcell radiation(SPR),此輻射據有利用調控光柵週期來改變各個波段的輻射角度的特性, 若再透過Surface Plasmon(SP)效應來增強特定輻射的波段,來達成鎖頻的效果,即可產生一據有指向性的單頻輻射波。
    此次研究目的在於透過SP-locked SPR的特性,與有限時域差分法軟體Lumerical來模擬與驗證,產生單頻匯聚光點(convergent beam),透過PEC光柵週期與IMI基板的設計來達成,當電子束從材料底下經過時,各組光柵會發射出相同波長但不同角度的輻射光,且每束輻射光皆會往匯聚光點的位置發射,並以此設計為基礎,加以設計出多色匯聚光點(multi-color convergent beam)的成果,其是透過RGB三個區域拼接而成,每個區域發射的輻射波長與方向皆不同,最後我們還發現了,在單頻匯聚光點的結構下,將電子束的行進方向逆向,可以由原本的匯聚光點結果切換為發散輻射(divergent radiation)的結果
    本次研究在於提供一個方法來設計一個可產生匯聚光點的光學元件,且在未來可以運用在許多光學領域中。

    In this work, the generation of a convergent beam via using the SP-locked SPR is proposed by an insulator-metal-insulator (IMI) substrate with chirped gratings on the substrate. The chirped gratings are designed such that a convergent beam containing a single wavelength is formed directly above the gratings when an electron bunch passes beneath the substrate. The wavelength of the convergent beam changes with the refractive index of dielectric layer of the IMI structure, which is determined by the frequency of SP on the IMI substrate excited by the electron bunch.
    Moreover, reversing the direction of electron bunch will make the emitted light from the proposed structure to switch from a convergent beam to a divergent beam. Finally, the formation of a convergent beam containing red, green and blue lights just above the chirped gratings is also demonstrated.

    口試合格證明 II 中文摘要 III 英文摘要 IV 致謝 IX 目錄 X 圖目錄 XII 表目錄 XIII 第一章 緒論 1 1.1金屬表面電漿 1 1.2 Smith-Purcell Radiation簡介 2 1.3 Fresnel原理與相位調製 7 1.4研究動機 9 第二章 表面電漿特性 10 2.1 表面電漿的發展與特性 10 2.2金屬Drude model 模型 11 2.3 表面電漿色散關係與特性 16 2.4表面電漿激發的方式 20 第三章 FDTD(有限時域差分法)模擬方法 25 3.1 馬克斯威爾方程式(Maxwell’s Equations) 25 3.2 FDTD模擬基礎原理 27 3.3 FDTD數值穩定性條件 31 3.4 吸收邊界Perfect Matched Layer(PML) 32 3.5 Lumerical 簡介 36 第四章 利用SP-locked SPR產生convergent beam 38 4.1 如何利用SP-locked SPR來設計金屬光柵 38 4.2 Single-frequency convergent beam 40 4.3 Multi-color convergent beam 44 4.4 Divergent radiation 47 第五章 結論 50 參考文獻 51

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