研製超薄透鏡 開拓奈米光學應用契機 成大光電系吳品頡三度登指標期刊-國立成功大學永續發展SDGs

研製超薄透鏡 開拓奈米光學應用契機 成大光電系吳品頡三度登指標期刊

SDG9

研製超薄透鏡 開拓奈米光學應用契機 成大光電系吳品頡三度登指標期刊

Synergy Correlation

「未來不只手機可以越做越薄,手機鏡頭也能一起變薄!」成大光電系助理教授吳品頡與研究團隊使用「超穎介面」(特殊人造材料)設計超薄平面透鏡,僅用普通透鏡的千分之一厚度就達到聚焦效果,提升傳統導電金屬奈米材料的應用價值,再透過跨領域結合智慧運算法與開發研究平台,有助於人臉辨識系統、無人機、自駕車與掃地機器人等更精密的技術突破,實現未來更多可能。
 
從奈米光學一窺超穎介面的奧秘
 
「奈米光學」意即研究光在奈米尺度下的特性,透過改變奈米結構達到對光的操控。成大光電系助理教授吳品頡指出,在奈米光學發展下的「超穎介面」(Metasurfaces)是一種人造材料,不同於自然界中存在的原子或分子,這類人造材料需要透過半導體製程產製,因此原子與原子之間的交互作用與整體結構能被人為控制,進一步達到一般自然界材料無法做到的光學特性,符合人類對於新興科技的期待。
 
製作超薄平面光學元件 – 金屬式超薄透鏡
 
在近 20 年奈米光學的發展下,科學家們紛紛投入研發奈米級的人造元件 — 「奈米超穎介面元件」,期待能將光電元件微型化,並企圖將生活中常見的「透鏡」產品越做越小、越做越薄。
 
吳品頡團隊為了研發更薄的透鏡,他們不選擇聚焦效能較高但製程繁瑣的半導體或絕緣體超穎透鏡,而是著眼於金屬導電粒子的優點,克服金屬導電粒子原本聚焦效率不足的問題,混合兩種不同特徵的人造原子,並找到新的物理模型,研發出高效能超薄透鏡,以更簡易的製程、更單純的材料,提高光學效能。2022 年,研究團隊以此發表研究成果,刊於光學領域之指標性期刊《Laser & Photonics Reviews》
 
吳品頡說,一般常見的聚焦透鏡厚度在微米至毫米等級,但他們利用「混合式超穎原子」打造的金屬式透鏡厚度僅有 350 奈米。「假設一般智慧型手機鏡頭內含 8 至 15 片透鏡,只要將其中 1 片透鏡換成我們研發的透鏡,厚度就能減少近千倍。」這項成果將對先進光電元件與系統的開發與微型化有極大幫助。未來不只手機鏡頭,相機、AR/VR 眼鏡等設備,都將有機會變得更輕薄。
 
光電學者結合智慧運算 讓光波掃描更精密
 
在另一項工作中,吳品頡將擅長的奈米光學元件設計、開發與整合技術結合成大電機系副教授林家祥的獨創智慧運算技術「基因型態樹狀搜尋法」(Genetic-Type Tree Optimization, GTTS),合作產出性能極佳的超穎介面元件。2021年兩人合作成果發表於應用物理領域指標性期刊《Nano Letters》。
 
相較大部分學者使用「拓撲最佳化」(一種廣泛運用於數學、材料、物理領域的研究方法或定義)設計不規則形狀的奈米級光學元件,卻僅適用於被動元件;吳品頡與林家祥的合作賦予掃描式儀器中的「光束偏轉器」更精密的偏轉角度,可達到更準確的空間解析度與敏感度,更能被應用到被動與主動元件,擴大應用範圍,提供未來開發光學雷達(Lidar)的從業者嶄新思路。
 
此外,吳品頡跨國與美國加州理工學院 Harry Atwater 教授合作,開發可應用於研究材料光特性的主動奈米光學平台,首次展現以近紅外光波段控制出 3 種偏振狀態的主動式超穎介面元件。成果於 2021 年發表在光學領域的指標性期刊《Advanced Optical Materials》,將有望推進材料分析、光訊息加密、三維成像以及量子光學等領域的基礎研究與科技應用。
 
從自身經驗出發 教學相長樂在其中
 
從大學開始一路都是唸物理系的吳品頡很早就對「光」的萬千變化產生興趣,相較於高深的物理理論,他更喜歡能實作的應用物理,因此從大學時期的基礎課程如電磁學、量子物理等到太陽能與光學等應用科技課程開始,搭上台灣光電產業興起與奈米科技蓬勃發展的熱潮,一步步走出自己的奈米光學探索之路。
 
吳品頡提到自己非常喜歡和學生討論,除了自己能將所學與經驗分享給學生外,也可以從學生身上得到很不一樣的知識跟想法。秉持著一起學習、一起努力、一起成長的心態,讓他體會科學研究最迷人的地方。「非常感謝加入成大後有一群可愛活潑的學生一起努力,也感謝系上及校方給予的支持及鼓勵」。吳品頡在教學方面也不遺餘力。由於本身一路以來都在物理系念書,認為所有公式都可以「內化成觀念」,授課過程盡量都以概念為主、公式為輔,搭配自身的學習經驗讓學生可以由簡入繁的理解各個學科以及研究領域的內涵。
 成大吳品頡助理教授 2019 年 2 月在成功大學光電科學與工程學系成立超穎光學(Meta-optics) 實驗室,主力研究奈米光學與奈米光子學,從基礎物理分析到實際應用,特別是可以應用在生醫感測、顯示器色彩調控、材料檢測與分析、太陽能電池的「表面電漿子學」、人造超穎材料和用於光操縱的超穎介面領域。
 
迄今,吳品頡已經發表超過60篇研究成果刊登在國際期刊上,總引用數超過 6500 次(H index 為 37)。他也和多位海外學者共同組織多場國際會議中的奈米光學/超穎介面議程。吳品頡同時也是多個國際期刊 Science、Nature Communications、Optics、ACS Nano、Nano Letters、ACS Photonics、Laser and Photonics Reviewers的受邀審查委員。
 
維護單位: 新聞中心
更新日期: 2022-07-06

成大光電系助理教授吳品頡團隊在奈米光學與超穎元件領域大放異彩

吳品頡與成大電機系副教授林家祥合作成果發表於應用物理領域之指標性期刊《Nano Letters》(吳品頡老師提供)

吳品頡與美國加州理工學院 Harry Atwater 教授跨國合作研究成果於 2021 年發表於光學領域之指標性期刊 《Advanced Optical Materials》(吳品頡老師提供)

吳品頡從大學時期開啟對光學的興趣,現在持續透過實作物理探索超穎介面元件的無限可能

成大吳品頡助理教授的超穎光學實驗室陳列著許多光學儀器,主力研究奈米光學和奈米光子學的基礎物理分析到實際應用

 

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