第1讲-纳米光学介绍
光学纳米材料和纳米光学
光学纳米材料和纳米光学光学纳米材料和纳米光学是当今科技领域中备受瞩目的课题。
随着纳米技术的不断进步，科学家们开始研究如何通过调控纳米材料的结构和性质，来实现对光的精确操控和增强。
这些研究不仅有助于深入了解光的行为和相互作用机制，还为探索新型光学器件和应用提供了新的思路和方法。
一、光学纳米材料的特点与应用光学纳米材料是指具有典型尺寸在纳米级别的材料，其特点主要包括光学性能的尺寸依赖性、表面等离子共振效应、局域表面等离子共振等。
这些特点使得光学纳米材料在光学信息传输、光谱分析、传感和能量转换等方面具有广泛的应用前景。
例如，在信息存储方面，研究人员利用纳米锆酸盐颗粒的表面等离子共振效应，成功实现了超高密度的光存储。
通过精确调控纳米颗粒的形状和尺寸，可以实现对信息的更高容量和更强的抗干扰能力。
另外，光学纳米材料还可以应用于光传感领域。
由于纳米材料具有大比表面积和高灵敏度的特点，因此可以实现对微量物质的高灵敏检测。
科学家们利用纳米金球通过表面等离子共振效应来检测微量的生物分子，如蛋白质和DNA等，这对于疾病的早期诊断和治疗具有重要意义。
二、纳米光学的基本原理与现实意义纳米光学是研究纳米级别下光与物质相互作用的学科。
在传统的光学理论中，我们通常认为光的传播和相互作用是在宏观尺度上进行的，然而，纳米尺度下的结构和形貌变化会引起光场的局域，从而产生一系列新颖的光学现象。
例如，表面等离子共振是纳米光学中的一个重要现象。
当光与金属纳米颗粒相互作用时，电磁波会在金属表面和媒介之间的共振模式下被束缚，这导致了特定波长下的光强分布出现“热点”的现象。
这一现象不仅使得纳米材料在光传感和增强等领域具有重要应用，也为设计和制备新型纳米器件提供了重要思路。
纳米光学的发展对于光电子学、光子学和纳米科技等领域都具有重要意义。
随着纳米技术的不断进步，科学家们可以利用纳米结构的优势来实现对光学器件的精确控制和优化。
例如，纳米光学器件可以用于太阳能电池中的光吸收和能量转换，可以用于光电二极管和激光器等光电子学器件中的光耦合和光调制，还可以应用于传统传感器的增强灵敏度和微纳材料的研究等。
第1讲-纳米光学介绍
1.关于此课程
考核内容: 课后作业 研究2-3篇近期发表的关于纳米光学的文章，写一篇科研报告
（影响因子>3.0，不少于2000字，截止日期2014.3.10前） 期末考试 如果有问题，你可以… … 发邮件 打电话 答疑时间访问我的办公室
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2013/12/16
2. 纳米光学介绍
2.1 信息时代的光子学 2.2 什么是纳米光学? 2.3 为什么研究纳米光学? 2.4 此课程中你将学到纳米光学的什么内容？ 2.5 纳米光学实例 2.6纳米光学应用
人类历史的主要进步往往都与物质有关
人们认识到如何利用自然界物质 现在科学家可以设计出具有新功能的纳米结构材料。
现代科技
石器时代
青铜时代
?
超材料?
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铁器时代
硅时代
(信息时代) BronzeAge:青铜时代，metamaterials: 超材料
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是否可以设计出具有新的光学性质的纳米材料？ 是的! (否则我们也不可能学习这门课了^_^) 当结构达到光波长或更小的尺寸时，神奇的事情将要发生。 这门课中, 我们将学习这些事情是什么，又是怎样发生的。 为什么一定是纳米? 有什么实际意义?
是通过自然或人工纳米材料的物理、化学或结构性质来调控的。
举例: 纳米金颗粒&哥特式彩色玻璃的颜色 原因: 金属纳米颗粒的表面等离子体谐振
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colloid:凝胶，Gothic stained glass: 哥特式彩色玻璃，surface plasmon resonance: 表面等离子体共振
2.3 为什么研究纳米光学?
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当宏观物体减小到纳 米尺度时，由于出现明显
纳米光学的基础原理与应用
纳米光学的基础原理与应用纳米光学是一门研究纳米级光学现象和光学器件的学科，它在科学研究和工业应用中有着广泛的应用。
本文将从纳米光学的基础原理和应用两个方面进行介绍。
一、基础原理1.什么是纳米光学？纳米光学是一种新兴的光学领域，它的研究对象是纳米尺度的光学现象和光学器件。
相对于常规光学，纳米光学研究的是那些尺度小于光波长的现象，比如纳米级的场增强、电磁场局域化和单分子光谱等。
2.纳米光学的基本原理纳米光学中的基础原理包括电磁场理论、谐振现象、表面等离子体共振和纳米结构的局域化效应。
（1）电磁场理论电磁场理论是纳米光学的基础，它描述光的传播和相互作用。
在纳米尺度下，光的场强度会出现强烈的局域化现象，这就产生了很多新的现象和效应。
（2）谐振现象在金属或者半导体材料表面，会发生表面等离子体振荡的谐振现象。
这种谐振现象可以在光学波段内发生，形成表面等离子体共振效应。
通过调控表面等离子体共振可以实现局域场增强、分子检测、表面增强拉曼光谱等应用。
（3）表面等离子体共振表面等离子体共振是纳米光学研究中的一个重要概念。
当光通过介质与金属表面相交时，会在表面形成一层电子云。
这些电子受到光的激励后会一起振荡，形成表面等离子体波。
（4）纳米结构的局域化效应在纳米尺度下，金属细纹和球形颗粒等纳米结构会表现出非常强烈的局域化效应。
这些纳米结构可以吸收、散射和透射光子，在光谱学、光学波导和纳米探针等应用中具有重要作用。
二、应用1.生物医学纳米光学在生物医学领域有着广泛的应用，比如分子检测、药物传递、分子成像和生物探测等。
通过表面等离子体共振和光学谐振等效应，可以实现高灵敏度的单分子检测和高效的药物递送等应用。
2.能源纳米光学在能源领域的应用主要包括太阳能电池、纳米结构光催化和光热转换等。
通过控制纳米结构的形貌和尺寸可以实现高效的太阳能电池和光催化反应，进而提高能源转换效率。
3.信息技术纳米光学在信息技术领域的应用主要包括光纤通信、光波导和光存储等。
纳米光学技术的发展与应用
纳米光学技术的发展与应用近几十年来，科技不断进步，各行各业都迎来了飞速的发展。
在这些领域中，光学技术发挥着至关重要的作用。
纳米光学技术，是近年来光学技术发展的一个重要分支。
纳米光学技术通过研究微观结构与光的相互作用，实现了对纳米级的光学信号的探测、操控与调制，拓展了光学技术的发展空间。
本文将从纳米光学技术的基本原理、研究进展、应用领域三个方面，介绍纳米光学技术的发展与应用。
一、基本原理纳米光学的基本原理是：当光学子波的绝对数目比被分析系统的尺寸要多的时候，一个实际上是细微的尺度尺寸组成的物体看起来就像它是连续平滑的。
简单来说，纳米光学技术通过在纳米结构上调节或改变光的波长或极化方向等物理属性，使其产生特殊的光学特性，实现对光学信号的探测、操控与调制。
通过纳米结构将光捕获并转换成电信号，实现了电光相互转换，并可对微观结构进行高分辨率的可视化。
二、研究进展纳米光学技术的发展历程较短，但进展较快。
虽然起步较晚，但近年来该领域的研究人员们，利用先进的成像技术、太赫兹光谱技术、表面等离子体共振技术等手段，取得的研究成果卓越，研究领域覆盖了各个领域，包括光子学、生物医学、环境检测、新能源等方面。
全息技术、纳米光学成像技术和量子光学技术等新型技术不断涌现，提升了纳米光学领域的研究水平。
同时，纳米材料的研究也成为了该领域的热点，纳米材料的制备和探索对纳米光学技术的研究牵动着业界的目光。
例如，金属纳米颗粒和石墨烯等纳米材料在光学方面具有特殊的物理特性，因此受到广泛关注。
三、应用领域纳米光学技术的研究成果已经逐渐实现了商业应用。
基于纳米光学技术的新型传感器、新型高速光纤通信技术、新型激光和电子光源、纳米光学显微镜等已经逐渐应用于光子学、化学分析、医学检测以及新能源等领域，实现了更稳定、更敏感、更精确的检测和监测。
同时，还有很多具体的应用，如纳米光学自组装技术被用于制造高度集成的微纳光电子、纳米光学谱学及显微镜技术被用于生物医学的光学成像、纳米结构光子晶体的减震性能被用于构建新型的隔音墙等。
新型纳米光学的研究发展
新型纳米光学的研究发展随着科学技术的不断发展，越来越多的领域需要用到光学技术，如通讯、医学、生物学及环境科学等。
近年来，随着人们对纳米科技的不断探索，新型纳米光学技术逐渐成为研究焦点。
本文将对新型纳米光学技术的研究发展进行探讨。
1. 纳米光学概述纳米光学是指利用尺寸在纳米级别范围内的光学材料和结构制备、操控和探测光学性质的科学研究领域。
在纳米级别下，光的传播及与物质相互作用将受到新的物理机制支配，这些机制可能导致新的光学效应和物质特性变化。
纳米光学主要应用于纳米材料、表面等离子体共振、周期性结构、单分子荧光等领域。
2. 纳米光学的研究意义纳米光学是继承与发展现代光学的重要分支，在材料科学、生物医学、纳米加工、环境科学和通讯等领域起着十分重要的作用。
纳米光学具有以下几个研究意义：(1)纳米光学材料和结构具有新颖性、复杂性和多样性，能够用于开发新型光学器件。
(2)纳米级微结构和纳米尺度下的物理机制规律属于新的研究领域，通过研究纳米光学，能够深入了解材料微观结构、表面等离子体共振等物理现象。
(3)纳米光学可以在纳米级别下探测生物分子、病毒、单细胞等，可以诊断疾病并开发新型生物传感器，具有更高的生物学意义。
3. 新型纳米光学技术的研究发展(1) 纳米粒子光学纳米粒子光学是指研究纳米粒子大小和形状对光学性质的影响。
一些金属纳米粒子如Au、Ag，由于它们的大小、形状和材料等不同属性的变化，表现出了与块材料截然不同的光学特性。
纳米粒子具有极强的表面等离子体共振，以及偏振和色散效应等特性，因此有广泛应用前景。
(2) 纳米光子晶体纳米光子晶体是一种由纳米粒子周期性排列而成的材料结构，其周期通常相当于或小于光波长。
纳米光子晶体在禁带宽度、动态光学响应、微纳制备等方面具有非常优秀的性能，并且被广泛应用于传感器、光电器件、光学存储等领域。
(3) 纳米结构表面等离子体共振表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)是一种表征化学反应和生物分子识别的技术。
纳米光学工作原理
纳米光学工作原理纳米光学是研究和应用纳米尺度下光学现象的科学领域。
通过控制纳米尺度下光的传播和与物质之间的相互作用，纳米光学使人们能够实现更高分辨率的成像、更高灵敏度的传感器、更高效率的太阳能电池等应用。
本文将介绍纳米光学的工作原理，包括表面等离子共振、局域场增强效应和光子晶体。
一、表面等离子共振在纳米尺度下，当光波入射到金属或半导体材料的表面，会激发表面等离子共振现象。
表面等离子共振是指金属表面的自由电子和光波之间发生共振振荡的现象。
通过调节入射光波的角度和频率，可以实现对共振现象的精确控制。
表面等离子共振在提高传感器灵敏度和增强光学信号的应用中起到关键作用。
例如，通过将金属纳米颗粒掺杂到生物传感器中，可以实现对生物分子的高灵敏度检测。
当目标分子与金属纳米颗粒表面接触时，会导致共振频率的变化，从而使得光的散射或吸收发生改变，进而可以通过光信号的变化来判断生物分子的存在与浓度。
二、局域场增强效应纳米光学中的另一个重要现象是局域场增强效应。
当金属纳米颗粒或纳米结构的尺寸越小，电磁场在其表面附近的区域内集中效应就越强。
这种局域场增强效应可以用来增强和控制光与物质之间的相互作用。
通过在纳米结构表面设计金属纳米颗粒阵列或纳米孔洞结构，可以实现局域场增强效应。
当光波入射到这些结构中时，局域场增强效应会导致电磁场在纳米结构表面的局部区域内集中，从而增强与物质的相互作用。
这种增强效应可以被应用于增强拉曼散射光谱的灵敏度，提高光催化反应的效率等领域。
三、光子晶体光子晶体是一种周期性具有光子禁带结构的材料。
它的结构类似于晶体中的原子排列，但是周期性的不是原子而是折射率。
光子晶体的禁带结构使得特定波长的光波被禁止传播，从而形成光子禁带。
通过对光子晶体的设计和制备，可以实现对特定波长光的选择性控制。
例如，在光通信领域中，光子晶体的禁带结构可以用来制备光波分复用器和滤波器。
通过调节光子晶体的周期和材料的折射率，可以实现对特定波长光的选择性传输和过滤。
纳米光学与纳米光子学
纳米光学与纳米光子学纳米光学和纳米光子学是当前科学研究中备受关注的两个重要领域。
随着纳米科技的快速发展，纳米光学和纳米光子学为我们提供了更多的可能性，带来了许多新奇的应用和突破。
本文将介绍纳米光学和纳米光子学的基本概念和原理，并探讨它们在光学和光子学领域的前沿研究和应用。
一、纳米光学的基本概念与原理纳米光学是研究纳米尺度下的光与物质相互作用的学科。
在传统的光学范畴中，光被看作是一种波动现象，而在纳米尺度下，光的行为则更具有颗粒性质。
纳米光学的研究对象包括纳米尺度下的光学材料、纳米结构和纳米器件等。
纳米光学的应用范围广泛，例如在传感领域，利用纳米尺度结构可以实现高灵敏度的检测和传感功能；在信息技术领域，纳米光学可以用于制备超高密度的光学存储器件；在能源和环境领域，纳米光学可以用于太阳能电池的提高光吸收效率和光解水制氢等方面。
纳米光学的实现主要依赖于纳米结构的制备和调控。
通过纳米加工技术，如纳米光刻、自组装等，可以制备出具有特定形状和尺寸的纳米结构。
同时，利用纳米光学材料的特殊性质，如表面等离子体共振和局域场增强等现象，可以进一步调控光的传播和相互作用。
二、纳米光子学的基本概念与原理纳米光子学是研究光与纳米结构相互作用的学科。
与纳米光学类似，纳米光子学也是在纳米尺度下对光进行控制和调控的研究领域。
它主要研究的是纳米结构中的光子行为和光子能量的传播。
纳米光子学的研究内容包括纳米结构中的光子晶体、纳米导光器件、纳米激光器等。
通过设计和制备纳米结构，可以实现对光的控制和改变光的传播性质。
例如，利用纳米结构的光子晶体，在特定波长上可以实现完全的光子带隙，使得特定波长的光无法传播。
这种纳米结构的调控性质可以用于光学器件的开关和滤波等应用。
纳米光子学的发展离不开纳米加工技术和材料科学的进步。
通过制备具有特定结构和性质的纳米结构，可以实现更多种类的纳米光子学器件，并拓展其应用领域。
三、纳米光学与纳米光子学的前沿研究与应用纳米光学和纳米光子学是当前光学和光子学领域的热点研究方向。
纳米光学与纳米光子学
纳米光学与纳米光子学纳米光学与纳米光子学是光学领域中新兴而重要的研究方向，它们研究的是纳米尺度下光与物质相互作用的现象和机制。
本文将介绍纳米光学与纳米光子学的定义、原理、应用以及未来发展方向。
一、纳米光学与纳米光子学定义纳米光学是研究纳米尺度下光与物质相互作用的科学，它主要关注纳米级别的光学器件和结构。
与传统光学相比，纳米光学研究的对象更小，能够更精确地控制光的行为和性质。
纳米光学的研究内容包括纳米材料的制备、纳米光学器件的设计与制造、纳米结构中光场的操控等。
纳米光子学是研究纳米尺度下光子学现象和技术的学科，它主要关注纳米级别的光场和光子学器件。
纳米光子学将光子学和纳米技术相结合，能够实现更小尺寸的光子学器件，并拓宽光子学在纳米尺度上的应用领域。
纳米光子学的研究内容包括纳米光子器件的制备与调控、纳米结构中光子的局域与传播、纳米光子学在信息处理与传输中的应用等。
二、纳米光学与纳米光子学原理纳米光学与纳米光子学的原理主要包括光与物质相互作用、光与结构相互作用、光在纳米尺度下的传播等。
1. 光与物质相互作用：纳米材料的光学性质与其尺寸和形状密切相关。
当光入射到纳米结构表面或局域区域时，会发生吸收、散射、透射等现象，这取决于材料对光的响应特性。
通过设计和调控纳米材料的光学特性，可以实现对光的吸收和发射的精确控制。
2. 光与结构相互作用：纳米结构中的光场分布与结构的形状、尺寸、周期性等有关。
通过设计不同形状和排列方式的纳米结构，可以实现光的局域化、增强和引导等功能。
例如，通过制备表面等离子体共振结构，可以实现局域场增强，用于增强拉曼散射信号，提高传感器的灵敏度。
3. 光在纳米尺度下的传播：光在纳米结构中的传播行为与结构的周期性、色散等有关。
纳米光子学通过调控纳米结构的参数，可以实现光的拓扑结构调控、波导模式控制等功能。
例如，利用纳米波导可以实现在纳米尺度下的能量传输和信息传输，有望应用于光通信和量子信息领域。
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1.关于此课程
考核内容: 课后作业 研究2-3篇近期发表的关于纳米光学的文章，写一篇科研报告
（影响因子>3.0，不少于2000字，截止日期2014.3.10前） 期末考试 如果有问题，你可以… … 发邮件 打电话 答疑时间访问我的办公室
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2. 纳米光学介绍
2.1 信息时代的光子学 2.2 什么是纳米光学? 2.3 为什么研究纳米光学? 2.4 此课程中你将学到纳米光学的什么内容？ 2.5 纳米光学实例 2.6纳米光学应用
研究生课程
纳米光学 (Nano-Optics)
第一讲: 课 程 介 绍
董国艳
中国科学院大学 材料科学与光电技术学院
2013/12/16
本讲内容
1. 关于此课程 2. 纳米光学介绍
2.1 信息时代的光子学? 2.2 什么是纳米光学? 2.3 为什么研究纳米光学? 2.4 此课程中你将学到纳米光学的什么内容？ 2.5 纳米光学事例 2.6纳米光学应用
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1里=150丈=500米 2里=1公里（1000米） 1丈=10尺 1尺=10寸 1丈=3.33米 1尺=3.33分米 1寸=3.33厘米
1 millimetre 米=0.03937 inch 英寸 1 centimetre厘米=10 mm=0.3937 inch 英寸 1 decimetre 分米=10 cm=3.937 inches 英寸 1 metre 米=1.0936 yards 码=3.2808 feet 英尺 1 decametre 十米=10 m=10.936 yards 码 1 hectometre 百米=100 m=109.4 yards 码 1 kilometre 千米=1000 m=0.6214 mile 英里 1 mile marin 海里=1852 m=1.1500 mile 英里
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1.关于此课程
课程参考资料:
基本原理:
Principles of Nano-Optics,Lukas Novotny and Bert Hecht (Cambridge University Press,2006). Nanophotonics,Paras N.Prasad (Wiley-Interscience,2004).
PM2.5 2.5m
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nanoworld
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电磁波的分布
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2013/12/16
长度单位换算表
1光年=9.46×1015m（光年） 1PM=1×1015m（拍米） 1Mm=1×106m（兆米） 1km=1×103m （千米） 1dm=1×10-1m （分米） 1cm=1×10-2m （厘米） 1mm=1×10-3m （毫米） 1dmm=1×10-4m（丝米） 1cmm=1×10-5m（忽米） 1μm=1×10-6m（微米） 1nm=1×10-9m（纳米） 1pm=1×10-12m（皮米） 1fm=1×10-15m（飞米） 1am=1×10-18m（阿米）
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2013/12/16
1.关于此课程
教师: 董国艳 OfficeHour 时间：周一10：00－12：00 OfficeHour 地点：学2-305 OfficeHour 周次：2013年秋季学期16-20
2014年春季学期1-5 电 话：69671744 电子邮件：gydong@
纳米科学与技术的分支
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光子学与电子学发展
2013/12/16
以上图表取自：刘颂豪/李淳飞主编《光子学技术与应用》，广东科技出版社，2006 17
电子和光子的主要属性
属性
光子
电子
共同点
都是具有波粒二像性的基本粒子
质7
你知道吗？ …
金子是什么颜色? 金子小颗粒又是什么颜色(nm size)?
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Nano – 炒作还是未来?
2013/12/16
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hype: 炒作
我们谈论的尺寸是多少?
纳米到底有多小?
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2013/12/16
10 cm
1 cm
1m
100 μm
理解纳米尺寸
1 nm 11
1 μm
10 μm
Pm2.5相当于头发直径的1/20
光子晶体:
Photonic Crystals: Molding the Flow of Light ( Joannopoulos,J.D, )
近场光学:
Near Field Optics,by DieterW.Pohl and Daniel Corjon (KluwerAcademic,1993). Near-field Microscopy and Near-field Optics,by Daniel Courjon (Inperial College Press,2003).
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1.关于此课程
时间和地点 每周一、三早上8:30~10:10，教1-113 课次: 20 -1次 成绩: 30% 作业 + 70% 考试 学习方法：上课 + 作业 + 学习报告 + 考试 讲义下载 信息门户——课程网站中下载 此课程目的: 熟悉纳米光学的基本理论，了解其目前和将来的应用及科技发展的地 位和作用，至少知道怎样思考和寻找相关知识信息。
等离子体:
Plasmonics:Fundamentals andApplications,StefanA.Maier (Springer,2007). Surface Plasmons on Smooth and Rough Surfaces and on Gratings,Heinz Raether (Springer,1988).
超材料:
Electromagnetic Metamaterials:Physics and Engineering Explorations,Nader Engheta and RichardW Ziolkowski (Wiley-IEEE Press,2006).
亚波长光栅:
Diffraction Gratings andApplications, E.G.Loewen and E.Popov (Marcel Dekker,1997).