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可高度調控液晶手性光學元件之研究與應用

為了解決雷射感應器的缺點的問題，作者蔣順安 這樣論述：

由於現代與未來光學或光電子學愈趨重視元件設備的多功能特性，具有高度可調特性的材料因此扮演著越來越重要的角色。手性向列型液晶具有自組裝的螺旋超分子週期性結構和可透過外部刺激靈活操縱的手性光學特性在近年裡持續地引起相當關注。這些獨特的特性大幅拓寬了其在顯示器、光學/光子元件、雷射與感應器等性能與應用範疇。然而，傳統的正型或負型手性向列液晶元件其電調控性能表現不佳，如波長可調範圍窄而有限、光子能隙容易被破壞及驅動電壓過高等缺點，都促使著科學家從調控方法與材料等方面解決此長久問題。 在本論文中，我們著重在提升膽固醇液晶與藍相液晶兩種最具代表性之手性向列液晶材料的元件應用性能。藉由材料的改善與提

出不同的外部刺激方式，大幅提升材料的調控與穩定性能，並且成功展示相關的應用範例。 本論文題目為『可高度調控液晶手性光學元件之研究與應用』。可分為下列四個主題做研究探討：(一)、 傳統的電致變色器件主要通過電致變色材料的吸收帶來改變電致變色材料的顏色，導致電致變色後此類材料的顏色選擇和顏色性能的可調度性較低。儘管透過干涉增強奈米共振腔可改善此問題，但在單個電致變色器件上實現全色可控仍然是個巨大挑戰。第一部分主題為『基於超分子手性光子材料之邁向全色可調手性電致熱變色元件』。此研究主要探討鐵電型液晶摻雜至膽固醇液晶中對其光學特性的影響以及驗證其應用潛力。實驗結果發現，鐵電型液晶的摻雜能使整體

複合材料的層列與膽固醇液晶相相變溫度提升至室溫附近，當環境溫度接近此相變點時螺旋結構會大量解旋使反射波段產生大幅紅移現象且維持完整反射波型與高反射率，藉由透過升降溫的方式使反射波段在可見光中大範圍移動。基於上述複合材料的特性，我們結合銦錫氧化物導電玻璃基板 之高電致發熱效率，開發在室溫下可低直流電壓且反射波段於全白光區下能完整調控之元件。基於上述調控原理，我們亦成功製作與展示可低電壓調控廣頻域輸出波長之雷射和可低電壓全光域變色之微纖維紡織品。(二)、 能夠動態操縱、修改甚至制定光特性（例如波前）的新型光學或光子器件在現代和未來光學的發展中越來越受到重視。具有螺旋波面的光學渦旋是一種具有固有軌

道角動量的特殊光。因此，這種渦流光適用於先進光學的利用，如光鑷、超分辨率顯微鏡、光通信和量子技術。第二部分主題為『圓形對稱手性光學結構之超寬頻可調控布拉格-貝瑞光渦流產生器』。本研究可視為上主題研究之延伸，主要探討將鐵電型液晶摻雜至圓形對稱手性光學結構之膽固醇液晶中對所產生之光渦流波長調控性之影響。實驗結果顯示，透過電致熱方式，使元件產生的渦流光顏色可以藉由外加低電壓方式產廣頻域的顏色變化。實驗中，藉由麥克森干涉儀，可方便檢驗球面波及平面波產生的渦流光特性，包含渦流方向與拓樸荷l值大小。本元件可轉換幾何相位並在室溫下具有超寬帶可操作性和高可操作性，為展示適合未來光學/光子應用的關鍵零組件提供了

一個很好的例子。(三)、 由刺激響應結構變形引起的自組織週期性微/奈米結構經常發生在各向異性自組裝超分子系統（例如液晶系統）中。然而，這些結構的大面積有序性往往不容易控制。第三部份工作主題為『一維干涉場控制大面積有序二維超分子手性微結構』。在此研究中我們首度發現，在雷射光束激發膽固醇液晶與單體混合物樣品的聚合過程，會因照光面先累積聚合網絡結構，導致往尚未聚合處擠壓，造成未聚合之膽固醇液晶與單體混合層厚度變薄。此過程造成螺距變短而產生縱向內應力，進一步與表面配向力與材料回復彈力競爭下引發Helfrich形變而產生無序之二維手性微網格結構。實驗更進一步發現，若改以使用雙光干涉場對樣品進行曝光，則

可控制產生的二維手性微結構變得大面積有序排列，此乃因為干涉場於樣品近光邊事先產生一維週期凹凸起伏變化之聚合物陣列，進一步引導因上述原因於稍後產生的二維手性網格微結構變得大面積排列有序。本研究成果進一步增進與改善Helfrich deformation之可應用性，實質地提升其未來於光電領域方面之應用潛力。(四)、 最後一部分主題為『基於偶氮雙鍵手性材料摻雜藍相液晶之可光調控光子晶體』。在此研究中，我們摻雜不同濃度之偶氮手性材料至藍相液晶中，先探討此材料在基板有無水平配向的條件下所生長之藍相晶格結構的光學性質差異。並透過照光調控的方式，引發偶氮手性材料產生光致異構化反應，可逆地調控藍相與各方同性

液相之間的相態變化。實驗結果顯示，高濃度偶氮手性材料摻雜之藍相液晶在水平配向的樣品中，照射常短波長不同光場可使液晶在藍相與各方同性液相之間穩定切換。然而，低濃度偶氮手性材料摻雜之藍相液晶在無配向的樣品中，照光可連續調控藍相晶格反射波段。基於本研究的成果，偶氮雙鍵手性材料摻雜藍相液晶在可調控之光子元件中有高度的潛在應用，例如光開關、光柵、雷射、濾波器與反射鏡等。

結合扇狀地圖網絡與有限感知能力清掃機器人的智慧覆蓋模擬

為了解決雷射感應器的缺點的問題，作者李金月 這樣論述：

本研究將針對具有限感之能力之家用清掃機器人，以建構扇狀地圖為基的環境地圖網絡作為智慧清掃的導引系統，以提升整體清掃效率與均勻度。有限感知能力的機器人所使用感應器為紅外線、超音波及碰撞，缺點僅能用於短距離的障礙偵測，因此多採用隨機為基的清掃模式，雖具有低成本的優勢，但卻有清掃效率不佳的問題。本論文將探討具有限感知能力的機器人環境地圖的建置，利用循邊清掃時，偵測散置在牆壁下緣不須絕對座標定位之RFID路標，作為區域地圖的參考點，並且配合驅動馬達上的編碼器，在隨機清掃時，配合里程計定位估計相對於路標的位移路徑，並將此路徑轉換成格點地圖，並同時偵測路標間的相鄰關係，並且採取反覆清掃的學習邏輯，判斷出

具有覆蓋顯著度的扇狀地圖網絡，作為智慧清掃覆蓋的依據以提升清掃覆蓋率，包括偵測到路標時，可由對應的核心地圖作為依據，判斷優先清掃方向及覆蓋率，當局部地圖以達覆蓋要求時，可藉此導引機器人往下一個路標的區域進行清掃區域，避免在單一區域重複清掃或略過需請掃的區域，而當全域覆蓋率已達指定的覆蓋率，則可自動判斷清掃完畢。本論文利用MSC.ADAMS動態模擬系統，建置擬真清掃環境，並與清掃邏輯以C語言配合系統腳本指令，控制ADAMS進行機器人的清掃模擬，以分析機器人在不同環境下的覆蓋率，藉以驗證方法的有效性與穩健性。