研究實驗室介紹-國立中央大學光電科學與工程學系

超穎介面(metasurface)可視為單層超穎材料，是由人工設計的超穎材料陣列所組成，能改變空間區域內散射光的電磁幅度與相位，此特性提供了一種新方法來定制所需的光特性，並 ... 選單開關 研究團隊與領域 研究實驗室介紹 畢業論文 教授專書介紹 學術研究 首頁 學術研究 研究實驗室介紹 電漿子光學實驗室(I) 實驗室房號:IL-508　連絡電話:+886-3-4227151-65288|實驗室網站: 指導教授: 王智明教授 研究介紹: 研究領域: 奈微米光學系統，表面電漿子學，超穎材料應用 我們主要是以光學系統的角度切入並以表面電漿子超穎材料實現我們有興趣的光電應用 研究內容: 介電質超穎材料介紹: 超穎材料(metamaterial)是一種尺寸在次波長的人造結構，特殊的光學特性，是自然界物質中所沒有的，隨著不同幾何形狀、尺寸與材料能呈現不同的光學響應。

超穎介面(metasurface)可視為單層超穎材料，是由人工設計的超穎材料陣列所組成，能改變空間區域內散射光的電磁幅度與相位，此特性提供了一種新方法來定制所需的光特性，並有利於平面光學組件和系統的開發。

超穎介面製程技術相對超穎材料簡單，結構更薄短小，在短時間內已經發展出各種尖端的光學元件，例如偏振轉換、非線性元件、全像片、極化儀、超穎透鏡等。

超穎透鏡與產業結合: 隨著半導體產業的進步，光學成像系統(照相機)面臨微縮挑戰，另一方面傳統透鏡的大尺寸與繞射極限即是光學成像系統微縮的最大限制，傳統平面式菲涅耳透鏡雖然能改善尺寸問題，但同樣受限於繞射，因此具有嚴重的色散問題，無法輕易應用於光學相機系統。

然而平坦的超穎透鏡成為突破微縮限制與色散的良方。

利用超穎透鏡取代傳統厚重的透鏡模組並與相機結合，微縮後能讓相機模組藏於屏幕下，並利用人工智慧系統補足屏幕造成的遮蔽，達到真正全螢幕的手機。

本實驗室利用高轉換效率的幾何相位(Geometricphase)調控技術來設計超穎透鏡，藉由旋轉輕薄的氮化鎵(GaN)魚鰭狀天線使散射光產生相位延遲，此方法能讓各魚鰭狀天線的散射光強度相近且適用頻譜寬等優點，經設計排列的氮化鎵超穎透鏡陣列，亦能消除可見光色差。

此外，超穎透鏡在製作上也較容易與互補式金屬氧化物半導體(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor,CMOS)製程技術整合，更有機會實現高品質的光場相機。

結構設計與數值模擬: 若要實現高性能光場相機應用，必須避免選用在可見光具有吸收材料，而降低超穎透鏡效率，其中氮化鎵(GaN)、氧化鈦(TiO2)、氧化鈮(Nb2O5)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化矽(SiNx)這幾種材料都適合應用在可見光波段，以上材料皆有其優缺點。

目前學術研究上以GaN及TiO2最被廣泛探討，而其中GaN被大量應用於台灣的LED產業，因此材料相對容易取得，也有製程技術成熟等優勢。

另一方面，材料本身的折射率過低也會降低光調控的能力，雖然可以透過加大結構深寬比來改善，但高深寬比結構卻不利於生產製造。

基於以上考量，在材料選擇上，我們採用不吸收可見光波段，且折射率超過2的介電質GaN作為製作超穎透鏡的材料，以達到高效率且易於量產的優勢。

基板需同樣選用不吸收可見光材質以維持效率，然而現今的介電超穎材料都是使用磊晶級的GaN。

在製程上，磊晶級GaN需製備於氧化鋁(Al2O3)基板上，雖然Al2O3基板同樣不吸收可見光波段，但Al2O3具有雙折射特性，會使得入射光的極化特性在穿透Al2O3後而改變，因此Al2O3基板不適合應用於穿透式元件。

在本實驗室，我們使用非磊晶級GaN，不僅價格便宜更可以製備在光學等向的非晶基板上，例如熔融石英(玻璃)基板，除了價格低廉也更適合做為穿透式光學元件。

利用有限時域分析(FDTD)方法模擬基板上GaN奈米魚鰭(nanofin)天線的光學性質，可以將魚鰭狀天線視為一個光學非等向性的等效介質，用等效介質理論分析不同厚度與旋轉角度的奈米魚鰭天線的相位延遲，讓整體相位調製能涵蓋0到2π。

進一步分析奈米魚鰭天線的為動態相位(Dynamicphase)及幾何相位(Geometricphase)調製能力，我們也發現當氮化鎵厚度與半波板厚度相當時，相位調變由幾何相位主導，而此時極化轉換率最高，因此元件效率也最高。

透鏡設計上，我們以幾何光學光線追跡法設計能提升光場相機的空間解析度，同時不損耗場角資訊的微透鏡陣列。

我們針對每個微透鏡設計可消離軸像差的自由曲面相位分布(Free-formphasedistribution)。

與傳統微透鏡製作技術相比，傳統微透鏡製作技術很難製作不同直徑但相同曲率的微透鏡，更難製作可消像差的微透鏡曲面，而也這正是超穎透鏡最具有優勢的地方。

我們將以超穎介面的製程技術實現具有高空間解析度，高場角資訊的光場相機。

製程技術: 目前較廣為人知的微透鏡陣列的製作技術有電子顯微術、紫外光顯微術、光阻回融或是奈米壓印等。

其中奈米壓印製程雖然無法製備高深寬比之樣品但擁有低成本與大量生產之潛力。

我們致力於設計低深寬比結構的超穎透鏡陣列，因此有機會藉由奈米壓印技術進行量產。

超穎透鏡陣列製作完成後會採用精密五軸加工機技術來完成手機鏡頭與超穎透鏡陣列的光機組裝，並結合精密3D列印為雛型做打樣。

研究計畫 執行職稱 計畫名稱 計畫執行時間 補助單位 補助經費 主要儀器設備: 論文著作與專利: 教授課程 近代物理(大學必修) 雷射物理(博士班必修) 表面電漿子超穎材料(研究所選修) 研究團隊 博士後研究員 許維倫博士 在學學生 博士生: 曾秋淳(109-2入學) 陳彥鈞(109-2入學) 碩士生: 學士生: 畢業學生 博士班畢業生: 碩士班畢業生: 學士班畢業生: 實驗室招生資訊 我們實驗室目前主要工作會集中在利用超穎介面做影像相關的研究主題。

本實驗室學生大致上會從幾何光學光束追跡開始學習光學設計，再利用次波長尺度的天線操控電磁波特性，以微小的天線(週期/非週期)陣列實現幾何光學的設計結果。

在實作上則大致上會基於CMOS製程技術製作次波長尺度的天線陣列。

製作完成後則須自行設計並架設量測系統量測元件特性。

簡單來說經過碩博士的訓練將會得到以下技能: 設計及模擬方面:幾何光學光束追跡，電磁波計算(FDTDFEMRCWA等)，波動光學計算(BPM) 製程方面:ebeamlithography，奈米壓印以及一般常見的半導體製程技術 量測方面:光學桌技能 實驗室活動相片   臉書 推特 line mail TOP