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  1. NTU Theses and Dissertations Repository
  2. 工學院
  3. 應用力學研究所
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dc.contributor.advisor林世明(Shimin Lin)
dc.contributor.authorChung-Mei Chenen
dc.contributor.author陳君美zh_TW
dc.date.accessioned2021-06-15T00:59:21Z-
dc.date.available2009-08-08
dc.date.copyright2008-08-08
dc.date.issued2008
dc.date.submitted2008-08-01
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dc.identifier.urihttp://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/42312-
dc.description.abstract波導干涉術(waveguide interferometry)之基本理論為使用全反射的原理將光限制於某一介質中行進,又由於全反射時所伴隨產生的漸逝波現象能反映出邊界上的性質變化,隨著感測樣本的折射率不同而會有不同的相位變化,同時可由干涉術以及演算法將相位變化量取出並反推樣本資訊,故相當適用於生物分子的檢測。
本論文的主要目的是對偏極保持光纖為主軸製作的光纖式波導干涉儀做初步的研究,並試圖改善上一代光纖式波導干涉儀所遇到的問題。晶片設計上使用鐵氟龍材料以機械加工方式製作雙層平板,上板為感測槽;下板設計V型溝槽以放置光纖,如此可解決前一代光纖晶片還需要另外鍍膜以定義感測區內的光偏極態的問題。在系統光路上可藉偏極板配合偏極控制器切換物光和參考光的偏極方向,達成雙偏極檢測的目的;在解相方面選用了楊氏干涉儀的架構配合旋轉偏極板相移法,以CCD拍攝干涉條紋的移動並傳送回電腦以五步相移演算法做相位分析。
在實驗驗證方面首先以去離子水進行穩定性實驗,確定訊號不會由於環境因素而有大幅度變動後再用去離子水以及十倍的PBS溶液交互測試進行再現性的測試,由結果知道雖然訊號還是會稍為飄動,但對於同一種溶液的光強和相位分佈圖可說是幾乎完全相同的。最後以不同濃度的PBS溶液做為檢測樣本,並使用兩種不同偏極方向之樣本光檢測,由量測並計算而得的相位資訊可知系統對折射率不同的樣本會有不同之相位改變值,因此可確定本系統具有判別不同濃度樣本的能力。
zh_TW
dc.description.abstractWaveguide interferometer is a sensor based on the characteristics of total internal reflection (TIRF). When a light beam propagates in a waveguide structure, the evanescent wave accompanies TIRF is very sensitive and can be used to sense the changes of the properties on the boundary. Therefore, we can combine the waveguide structure and interferometry together so as to utilize some appropriate algorithms to detect the phase change of different sample solutions. The information of phase change can then be applied to calculate the refractive index and thickness variations of the boundary. As a result, the waveguide interferometer is suitable for being a biosensor.
The main purpose of this thesis is to pursue a preliminary research of a fiber-based waveguide interferometer, which I chose the polarization maintaining fiber to built the guide tunnels. Upon the design of the fiber chip, a double layer Teflon fiber fixture is fabricated by machining. In addition, the design can solve the problem of defining light polarizations while the light beam propagating through the sensing window. In order to accomplish the function of dual-polarization detection, I used the polarizer and the polarization controller to switch the light polarizations of reference beam and sample beam. The construction of Young’s interferometry is chose to be the optical path for phase analysis. Utilizing the CCD camera to catch the interference fringes and then rotated the analyzer to obtain five images. At last I used five step phase shifting method to get the phase distribution diagram.
The system has proved its stability and reproducibility by DI water and 10X PBS solution. In order to make sure the fiber-based waveguide interferometer has the ability to recognize between the sample solutions with different concentrations, I used two light polarizations (which were orthogonal to each other) of the sample beam to detect the PBS solutions. By the results we knew that the system would have different phase changes with respect to measure the specimen which have individual refractive index themselves. In summary, the system has been proved that it has the fundamental ability to distinguish the sample solutions with different concentrations.
en
dc.description.provenanceMade available in DSpace on 2021-06-15T00:59:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1
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Previous issue date: 2008
en
dc.description.tableofcontents謝誌……………………………………………………………………………………....I
目錄…………………………………………………………………………………….III
圖目錄…………………………………………………………………………………..V
表目錄………………………………………………………………………………..VIII
中文摘要…………………………………………………………………………….....IX
Abstract………………………………………………………………………………….X
第1章 緒論…………………………………………………………………………….1
1.1 研究背景……………………………………………………………………….1
1.2 文獻回顧………………………………………………………………….........2
1.2.1 生醫晶片檢測系統………………………………………………………2
1.2.2 波導干涉術之應用………………………………………………………5
1.2.3 光纖於生化感測器之應用………………………………………………8
1.3 研究動機與貢獻……………………………………………………………...11
1.4 論文架構……………………………………………………………………...12
第2章 波導干涉儀之基本原理……………………………………………………...13
2.1 基本光學原理………………………………………………………………...13
2.1.1 漸逝波原理……………………………………………………………..13
2.1.2 幾何光學分析…………………………………………………………..16
2.1.3 波動光學分析…………………………………………………………..23
2.2 光纖原理與應用……………………………………………………………...25
2.2.1 光纖基本結構介紹…………………………………………………….25
2.2.2 光纖種類………………………………………………………………..26
2.2.3 光纖傳輸原理…………………………………………………………..29
2.2.3.1 光纖受光角錐…………………………………………………....30
2.2.3.2 階變式光纖中之模態…………………………………………....31
2.2.4 偏極保持光纖介紹……………………………………………………..37
2.3 光學干涉原理………………………………………………………………...39
2.3.1 基本干涉原理…………………………………………………………..40
2.3.2 光相位解析法…………………………………………………………..43
2.3.3 步進式相移架構……………………………………………………….45
2.3.4 旋轉分析板相移法…………………………………………………….47
第3章 光纖晶片設計與製作………………………………………………………...48
3.1 光纖晶片設計………………………………………………………………...48
3.2 光纖蝕刻參數量測…………………………………………………………...50
3.3 光纖晶片製作流程…………………………………………………………...56
3.4 光纖偏極態選擇方式………………………………………………………...56
3.5 晶片優勢比較………………………………………………………………...57
第4章 光纖式波導干涉儀之研製…………………………………………………...60
4.1 系統光路設計………………………………………………………………...60
4.2 元件選擇……………………………………………………………………...62
4.3 偏極元件校準實驗…………………………………………………………...65
4.4 系統檢驗流程………………………………………………………………...68
4.4.1 系統操作介面…………………………………………………………..68
4.4.2 系統調整與量測步驟…………………………………………………..69
第5章 實驗結果與討論……………………………………………………………...71
5.1 光纖晶片製備討論…………………………………………………………...71
5.2 非生物樣本量測結果………………………………………………………...73
5.2.1 訊號穩定性測試………………………………………………………..74
5.2.2 再現性測試……………………………………………………………..77
5.2.3 PBS溶液量測與分析…………………………………………………..79
第6章 結論與未來展望……………………………………………………………...86
6.1 結論…………………………………………………………………………...86
6.2 未來展望……………………………………………………………………...87
第7章 參考文獻……………………………………………………………………...89

圖目錄
圖 1-1 稜鏡耦合法示意圖…………………………………………………………….7
圖 1-2 光柵耦合法示意圖…………………………………………………………….7
圖 1-3 物鏡耦合法示意圖…………………………………………………………….7
圖 1-4 Analight Bio200整體機構圖………………………………………………...8
圖 1-5 (a)光纖感測器示意圖(b)實體圖(c)D型光纖感測系統架構示意圖………...9
圖 1-6 光纖式漸逝波螢光感測器…………………………………………………...11
圖 1-7 光纖式漸逝波螢光偵測系統架構圖………………………………………...11
圖 2-1 (a)入射、反射與折射 (b)全反射示意圖……………………………………13
圖 2-2 全反射狀態下產生之漸逝場………………………………………………...14
圖 2-3 電場反射與折射示意圖……………………………………………………...15
圖 2-4 (a)TM光(b)TE光反射與折射……………………………………………….17
圖 2-5 線性光學分析三層波導……………………………………………………...19
圖 2-6 徑相及軸向等效折射率(β和κ)與 的關係………………………………..21
圖 2-7 光於波導中傳遞示意圖…….………………………………………………..22
圖 2-8 光纖之基本結構圖…………………………………………………………...25
圖 2-9 (a)階變式多模態光纖 (b)階變式單模態光纖結構圖……………………...27
圖 2-10 緩變式光纖結構圖…………………………………………………………...28
圖 2-11 光於階變式光纖內傳遞……………………………………………………...30
圖 2-12 光纖之受光角錐……………………………………………………………...30
圖 2-13 (a)不對稱光束(b)不對稱光束之橫切面(c)子午光束……………………….35
圖 2-14 光纖模態(a)模態名稱(b)電場分佈(c)電場強度…………………………….37
圖 2-15 單模光纖 之兩正交模態………………………………………………...38
圖 2-16 (a)~(c)形狀複折射光纖結構…………………………………………………38
圖 2-17 偏極保持光纖之串音(消失比)關係圖………………………………………39
圖 2-18 干涉條紋可視度示意圖……………………………………………………...41
圖 2-19 CCD干涉條紋擷取圖………………………………………………………..42
圖 2-20 壓電平台相移法……………………………………………………………...45
圖 2-21 傾斜光學鏡片相移法………………………………………………………...45
圖 2-22 旋轉分析板相移法…………………………………………………………...46
圖 2-23 液晶於不同方波振幅下之相位延遲量……………………………………...46
圖 3-1 第一代光纖晶片設計示意圖………………………………………………...48
圖 3-2 (a)光纖晶片整體示意圖(b)晶片上蓋(c)光纖放置板(d)晶片上蓋側視圖 (e) 光纖放置板側視圖…………………………………………………………...49
圖 3-3 光纖晶片實體圖……………………………………………………………...49
圖 3-4 光纖晶片感測區蝕刻方式示意圖(a)側視圖(b)從光纖入射端觀看……….50
圖 3-5 (a)~(c)以SEM拍攝蝕刻後的光纖直徑圖………………………………….51
圖 3-6 (a)~(c)光纖蝕刻後直徑對所需時間關係圖………………………………...54
圖 3-7 光纖晶片製作流程圖………………………………………………………...56
圖 3-8 感測光纖鍍膜示意圖………………………………………………………...57
圖 3-9 上下型平板波導晶片感測原理……………………………………………...58
圖 3-10 波導晶片尺寸示意圖及實體圖……………………………………………...58
圖 4-1 光纖式波導干涉儀系統光路圖……………………………………………...60
圖 4-2 光纖耦合平台實體圖………………………………………………………...61
圖 4-3 2x2光纖耦合器………………………………………………………………61
圖 4-4 整體光路架設實體圖(a)光源及樣本感測區部份(b)訊號擷取部份………..62
圖 4-5 光纖熔接機…………………………………………………………………...63
圖 4-6 光纖熔接影像………………………………………………………………...64
圖 4-7 偏極控制器…………………………………………………………………...65
圖 4-8 (a)垂直(b)平行樣本感測面之光偏極態……………………………………..66
圖 4-9 由光學顯微鏡所拍攝的蝕刻後之光纖表面………………………………...67
圖 4-10 (a)在日光燈下(b)無開燈時光在蝕刻後之光纖行進時光源之洩漏情形圖..67
圖 4-11 波導晶片出射端之點光源影像……………………………………………...68
圖 4-12 CCD擷取之點光源光強最弱時的影像……………………………………..68
圖 4-13 將干涉光強分佈資訊轉為相位圖…………………………………………...69
圖 4-14 系統量測流程圖...............................................................................................70
圖 5-1 (a)光纖未蝕刻(b)光纖蝕刻後之干涉條紋圖………………………………..72
圖 5-2 BOE溶液滲透到感測區以外造成大量漏光………………………………..72
圖 5-3 將BOE溶液浸入感測區進行蝕刻………………………………………….73
圖 5-4 RA-130折射率計實體圖……………………………………………………..74
圖 5-5 (a)~(e)每隔五分鐘測去離子水所得之相位圖………………………………75
圖 5-6 干涉條紋之光強分佈………………………………………………………...77
圖 5-7 (a)~(e) 系統再現性測試相位圖……………………………………………..78
圖 5-8 (a)~(d)去離子水與不同濃度之PBS溶液的相位分佈比較圖(TM光)…….80
圖 5-9 (a)~(d)去離子水與不同濃度之PBS溶液的相位分佈比較圖(TE光)……..82
圖 5-10 樣本折射率與相位變化關係圖……………………………………………...85




表目錄
表 2-1 市售光纖之尺寸……………………………………………………………...26
表 2-2 數種不同材料之光纖特性…………………………………………………...31
表 2-3 光纖模態與其對應之正規化截止頻率……………………………………...37
表 3-1 (a)~(c) 三次蝕刻速率測試表………………………………………………..53
表 5-1 各種不同濃度之代測溶液與折射率對照表………………………………...74
dc.language.isozh-TW
dc.title以偏極保持光纖研製波導干涉儀的先導性研究zh_TW
dc.titlePreliminary study of using polarization maintaining fiber for waveguide interferometeren
dc.typeThesis
dc.date.schoolyear96-2
dc.description.degree碩士
dc.contributor.oralexamcommittee李世光(Chih-Kung Lee),林致廷(Chih-Ting Lin),黃君偉(Jiun-Wei Huang)
dc.subject.keyword偏極保持光纖,波導干涉儀,生物感測器,zh_TW
dc.subject.keywordpolarization maintaining fiber,waveguide,biosensor,en
dc.relation.page93
dc.rights.note有償授權
dc.date.accepted2008-08-01
dc.contributor.author-college工學院zh_TW
dc.contributor.author-dept應用力學研究所zh_TW
顯示於系所單位:應用力學研究所

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