纳米光子学
纳米光子学
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通过实验数据拟合，就可得到电介质薄膜（如 p-4-BCMU)的厚度和折射率
the strength of the evanescent field in the dielectric above the metal is one order of magnitude higher than that in a typical evanescent source. —— 由此可有效激发非线性光学过程（第五章）
? =?2/???
? = 1/?2m(U0-E)/h2
从自由空间深入介质中 （势垒为U0）,一般 ~ 10-1nm 量级
从介质深入导体， 103-4 nm for ? =100MHz
场强均随着深度的深入而呈现指数衰减，其特征长度 即为穿透深度 ——参阅《光学》和《量子力学》。
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光子
光子和电子 的限制效应 ：隧穿效应
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侧向纳米局域
近场扫描光学显微镜 near-field scanning optical microscope, SNOM （第四章）
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纳米尺度的电子互作用
第三章 第六章
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?New Cooperative Transitions
电荷传递：
激态二聚物：
acceptor, A+
donor, D-
第二章 纳光子学的基础知识
目的：本章介绍纳米光子学的基础知识，以有助 于掌握后面八章各纳米光子学专题的内容。 内容：首先比较电子和光子的异同。之后分别介 绍纳米尺度的光子和电子的行为。最后小节。
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光子和电子的异同
光子晶体
电子晶体
2
一般激光器波长范围在紫外（ ~300nm)到红外，波长在 数百纳米到十微米 以上
纳米光子学研究与应用
纳米光子学研究与应用纳米光子学是最近几年来新兴的领域，其研究旨在利用纳米尺度的结构来控制和操纵光子，从而实现新型的光电学设备和器件。
这个领域的研究涉及到多个方面，包括材料物理学、光学、电子学和器件制备等。
本文将简要介绍纳米光子学的研究方向和应用，以及现有的一些成果和发展趋势。
一、纳米光子学研究方向纳米光子学的研究方向主要有以下几个方面：1. 元器件制备：纳米光子学研究的第一步就是制备出具有特定形态和结构的纳米级光子结构，如纳米线、纳米棒、纳米球等。
制备这些结构需要使用现代纳米技术，如电子束光刻、化学气相沉积等。
2. 光子学效应研究：利用纳米级结构对光子进行控制和调制，进一步研究纳米级结构的光学性能。
这个方向主要涉及到物理光学和电磁学等基础科学，如表面增强拉曼散射、量子纳米光学等。
3. 纳米光子学器件：在纳米级结构的基础上，构建出新型的光电学器件，如纳米激光器、纳米传感器、纳米光学调制器、纳米激光器和光子晶体等。
这些器件可以被用作信息处理、能源收集和储存、医疗影像等领域。
二、纳米光子学应用领域纳米光子学的应用范围广泛，其中一些应用正在研究中，一些已经得到了实际应用，下面是一些主要应用领域的简要介绍：1. 生物医学：纳米光子学的应用非常广泛，用于制备纳米级生物传感器、纳米药物输送器等。
这些器件具有很高的灵敏度和选择性，可以用来监测生物分子、细胞和组织结构等。
2. 能源领域：纳米光子学在太阳能电池和光催化领域有着广泛的应用。
利用纳米级结构可以控制太阳能电池的电子运动轨迹，从而提高光电能转换效率。
在光催化领域，纳米级结构可以增强光吸收，从而提高反应速率和效率。
3. 信息处理：纳米光子学在信息处理领域的应用是一大热点。
纳米级结构可以用来制备超高密度光存储器，单光子计算机和通信器件等。
4. 其他领域：纳米光子学还可以应用在安全防伪、纳米光子学显示技术等领域。
三、纳米光子学的新进展和发展趋势纳米光子学的研究是一个快速发展的领域，近年来有很多新的进展，这里列举几个新的成果和发展趋势：1. 第一种可重复制造的纳米光子晶体结构：科学家们研究出了一种新型的纳米光子晶体结构，并且成功地实现了大批量可重复制造。
纳米光子学
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21世纪初科技发展的总趋势
• 一个兴起：光子学与纳米科学与技术； • 二个焦点：
环境，பைடு நூலகம்源；
• 三个关注：
地球科学，海洋科学，空间科学；
• 四个支撑：
信息技术，材料技术，制造技术，生命科学技术
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纳米光子学的未来应用：
磁存储
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• 回顾电学和光学的发展历史，我们可以发现：
物理学的两个孪生分支——电学和光学，它们 的发展历程是相似的且又是相辅相成的。
• 光子学是研究光子与物质相互作用及其应用的
一门新兴学科
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基础学科 电学
（18世纪开始） 电磁场理论
电子物理学
（20世纪开始） 电子管与电子线路理
论
光学
（18世纪开始） 基于自发辐射光源
静态随机存取存储器(SRAM)芯片。
Dr.Gordon E. Moore CMOS芯片制造工艺极限5nm---预计2017年制程达3nm
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摩尔定律何时了
芯 片 集 成
• “任何指数函数一 度 旦外推到一定程度 10亿 都会遇到阻碍。
• ……我们不可能做得 更小了。”
• -----戈登·摩尔
2017年
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纳米光子学简介
• 学科的形成：
1.科学技术的进步，一种新的集成工艺；
• 学科的定义：
2.纳米光子学是研究在纳米尺度上光与物
质相互作用的一门学科。利用近场光学对纳米 器件进行设计制造和运用的技术 ，属于光子学 的分支。
内容分类：
1. 在纳米尺度上限制物质 2. 在纳米尺度上限制波的辐射 3. 在纳米尺度上的光学加工
纳米光子学中的局域场增强和强耦合效应
纳米光子学中的局域场增强和强耦合效应纳米光子学是研究纳米尺度下光与物质相互作用的学科，它涉及到光子的局域场增强和强耦合效应。
本文将探讨纳米光子学中的局域场增强和强耦合效应对材料与光相互作用的影响。
一、纳米光子学的背景和概念纳米光子学是在纳米尺度下研究光与物质相互作用的新兴学科。
在纳米尺度下，电磁波与纳米尺度物体相互作用时，电场强度会在物体表面和附近形成局域场增强现象。
局域场增强指的是在纳米尺度物体表面和附近，电磁波的电场强度显著增强的现象。
二、局域场增强的机制局域场增强的机制可以通过表面等离子体共振来解释。
表面等离子体共振是当金属或半导体纳米结构暴露在光的作用下，电子与光波相互作用产生的电池极化现象，形成局域电磁场增强。
这种局域场增强现象在纳米材料领域具有重要的应用价值。
三、局域场增强的应用局域场增强的现象对纳米材料的光学和电学性质具有重要影响，并且在纳米光子学中具有广泛的应用。
例如，在纳米催化剂领域，利用局域场增强的现象可以提高催化剂的效率和选择性。
此外，在纳米生物传感器领域，利用局域场增强可以增强传感器的灵敏度和特异性，提高检测的准确性。
四、强耦合效应的概念强耦合效应是指在纳米结构与光之间存在强烈相互作用的现象。
当纳米结构的共振频率与光的频率非常接近时，会产生强耦合效应。
强耦合效应是实现单光子调控和量子信息传输的重要基础。
五、强耦合效应的机制和应用强耦合效应的机制可以通过电磁场和物质之间的相互作用来解释。
在纳米器件中，通过调节电磁场和物质之间的耦合强度，可以实现纳米器件的光学性能优化和调控。
强耦合效应在纳米光子学中具有广泛的应用，例如在量子计算、量子信息存储等领域。
六、纳米光子学中的挑战和前景纳米光子学作为一门新兴的学科，面临着许多挑战。
例如，在纳米结构制备和表征方面，需要开发出更加高效和精确的技术。
同时，在纳米材料的性能优化和调控方面，需要深入研究光与物质相互作用的机制和规律。
然而，纳米光子学的发展前景仍然广阔。
纳米光子学材料的制备和应用
纳米光子学材料的制备和应用纳米技术的发展在各个领域都有所体现，而纳米光子学是其中的一种新兴领域，其应用前景广阔。
纳米光子学材料的制备是纳米光子学领域的重要基础，同时这些材料可以被应用于各种光学设备中，例如纳米激光，光通信设备以及太阳能电池等。
一、纳米光子学材料的制备制备纳米光子学材料常用的方法有物理法、化学法以及生物法。
物理法是通过物理手段将材料变成纳米尺寸，例如通过热折变法，气相合成法等制备出不同尺寸的纳米颗粒和纳米结构。
化学法是指化学反应过程中由于聚合或分散作用而形成的纳米级或亚纳米级颗粒，其制备方法包括沉淀法、胶体化学法、模板法等。
生物法是指利用生物体系的生长和代谢的方法制造纳米有机和无机材料。
例如，利用生物技术，可以利用单细胞藻类制造具有光催化和荧光等性质的纳米微颗粒。
二、纳米光子学材料的应用1.纳米激光纳米激光是一种用于生物医学和光电子学等领域的激光设备，其特点是具有纳米级的空间分辨率和高强度的光子流，因此能精准地照射到微观的生物组织或细胞中，实现对其进行控制或处理。
纳米光子学材料能够被用于制备纳米激光，如利用纳米石墨烯制备出的主动调谐激光器，其调节范围可达600纳米。
2.光通信设备光通信设备是一种基于光信号进行高速数据传输的通信设备。
纳米光子学材料在光通信设备方面的应用包括利用量子点进行单光子检测和加密、利用表面等离子体共振波导进行光通信和利用纳米线图案制备光通信芯片等。
3.太阳能电池在太阳能电池领域，纳米光子学材料能够提高太阳能电池的电池效率和稳定性，例如利用纳米结构增强太阳能电池的吸收率，或采用金属-半导体-金属结构的太阳能电池，其具有较高的光电转换效率。
三、纳米光子学材料的未来前景随着纳米技术的不断发展，纳米光子学材料的应用前景也将更为广阔。
未来纳米光子学材料可能会更多地应用于生物医疗、环境保护等领域，例如开发利用光敏材料治疗癌症、利用纳米颗粒加速水净化和气体分离、利用纳米结构提高传感设备的灵敏度等。
纳米光子学和量子计算机的前沿领域与应用
纳米光子学和量子计算机的前沿领域与应用近年来，纳米光子学和量子计算机技术作为两个备受关注的前沿领域，正迅速发展并引起了广泛的研究兴趣。
纳米光子学是将光子学与纳米技术相结合的学科领域，致力于在纳米尺度上控制和操纵光的行为。
量子计算机则基于量子力学原理，利用量子比特来进行计算，具有在特定情况下大幅度提高计算速度和解决复杂问题的潜力。
纳米光子学作为互补性领域，与传统光学有着密切的联系。
在纳米尺度上，物质的光学特性将显著不同，因此，纳米光子学提供了一种新的研究方向，通过对光在纳米尺度上的操控，可以打破光学的传统限制。
此外，纳米光子学还能够实现超分辨率成像、纳米加工和纳米传感等应用，对于生物医学、信息技术和能源领域等有着广泛的应用前景。
一方面，纳米光子学在生物医学领域中起到了重要的作用。
通过利用纳米光子学技术，可以实现对生物分子和细胞的高灵敏度检测和成像。
例如，利用纳米光子学技术可以将荧光分子标记在特定的生物分子上，通过对荧光信号的探测可以实现细胞成像，进而为研究细胞生物学和疾病诊断提供了新的工具和方法。
此外，纳米光子学还可以应用于光动力学疗法、光学成像和光传感等领域，为生物医学领域带来了新的突破和改进。
另一方面，量子计算机作为一种全新的计算模式，具备破解传统计算机难题的潜力。
相比传统的二进制计算机，量子计算机使用量子比特（qubit）来表示信息，可以在同一时间进行多个计算操作，大大提高计算速度。
这使得量子计算机在解决复杂问题、优化算法、密码破解等领域具有巨大的潜力。
目前，量子计算机仍处于研究和开发阶段，但在一些具体应用领域已取得了显著进展。
例如，量子模拟是量子计算机的一个重要应用方向之一。
通过利用量子比特的纠缠特性和量子态叠加原理，可以模拟和研究一些复杂的量子系统，如粒子在多个能级间的跃迁、分子的结构和反应动力学等。
此外，量子优化算法也是量子计算的一个重要研究方向，通过利用量子计算机的并行计算能力，可以在优化问题中找到更好的解决方案。
纳米光子学的原理与应用
纳米光子学的原理与应用纳米光子学是一门基于纳米结构设计和制备的新兴交叉学科领域，其研究目的是开发新型的光子器件、探测器、传感器等高精度的光子学技术。
纳米光子学的原理和应用范围非常广泛，主要涉及到材料、光学、机械、电子、化学等各个领域，具有重大的科学和技术意义。
一、纳米光子学的原理纳米光子学的研究主要涉及到三个方面，分别是：光学、纳米材料和纳米结构。
其中光学是纳米光子学的基本学科，其探究光与物质的相互作用，重点关注光的传播和收集、成像过程中微观结构和精度问题等，主要应用于微纳光学、生物医学和信息技术等领域。
纳米材料主要是指能够在纳米尺度下表现出特殊的材料性质的物质，如金属颗粒、半导体量子点等。
而纳米结构是指可以通过纳米干涉等特殊处理技术制造的奇异微结构体系，在光学、光电、光子学等领域具有广泛应用。
纳米光子学的主要原理是“表面等离子体共振”，该原理指的是当光线照射到金属表面时，会激发出电子局域集中，形成等离子体振荡的现象，这种振荡会在金属表面上产生非常强烈的电场，使得与金属距离几十纳米以内的物质受到显著的电场影响，从而使这些物质产生特殊的光学性质。
利用表面等离子体共振的原理，纳米光子学研究者可以把光子的能量与物质的特性联系起来，实现微纳尺度下的高灵敏度与高精度的光学传感器和光子学器件。
二、纳米光子学的应用1. 生物医学纳米光子学在生物医学领域具有着广泛的应用，例如，利用表面等离子体共振的原理，可以研制出高灵敏度、低成本的生物传感器，实现对生物药品、抗体检测等的快速、准确检测。
同时，还可以探测生物分子间的相互作用和反应动力学，从而对病理生理过程、生长与分化过程、作用机理进行深入研究，为新药研发提供理论依据和技术支持。
2. 光电子器件纳米光子学在光电子器件领域也得到了广泛应用，例如，利用纳米结构或纳米材料表面等离子体共振技术研制出高灵敏度、高分辨率的场发射器、光子器件、单光子探测器等，为信息处理、显示和通讯等领域提供了新的技术手段。
纳米光子学技术的发展与应用前景
纳米光子学技术的发展与应用前景第一章引言光子学作为一门研究光学现象和应用的学科，自从上世纪60年代问世以来，一直在不断发展和演进。
而近年来，纳米光子学技术的兴起，进一步推动了光子学领域的发展。
纳米光子学技术以其引人注目的特点，成为研究者们关注的焦点。
本章将介绍纳米光子学技术的发展历程以及相关研究现状。
第二章纳米光子学技术的基础2.1 纳米材料的制备与性质纳米光子学技术的研究需要先进的纳米材料作为基础。
纳米材料是指具有纳米级尺寸的材料，其特殊的性质使其在光子学应用中具有重要的地位。
目前常见的纳米材料包括金属纳米颗粒、量子点和纳米线等。
这些纳米材料具备了优异的光学性能，如表面等离子共振、量子大小效应等。
2.2 纳米结构的设计与制备纳米光子学技术的核心在于纳米结构的设计和制备。
通过精密的设计和制备工艺，可以实现对光的传播、发射和操控的精确控制。
纳米光子学技术的制备方法包括溶液法、化学合成法、等离子体刻蚀法等多种技术手段。
这些方法在纳米结构的制备方面都取得了显著的进展。
第三章纳米光子学技术的应用领域3.1 信息存储与传输纳米光子学技术在信息存储和传输方面具备巨大的潜力。
纳米结构的制备精度可以实现高密度的信息存储，而纳米光子学设备的小型化和高速传输的特点使其在信息传输中具有独特的优势。
基于纳米光子学技术的光学存储器和光纤通信系统已经在现实中得到广泛应用。
3.2 生物医学纳米光子学技术在生物医学领域也有着广泛的应用。
纳米粒子的特殊光学性质使其可以用于生物标记和药物递送等领域。
通过纳米光子学技术，可以实现对单个分子的探测和分析，从而为生物医学研究提供了强有力的工具。
3.3 能源与环境纳米光子学技术在能源与环境领域也有着重要的应用。
纳米光子学材料可以应用于太阳能电池、光催化和光致化学反应等领域，为清洁能源的开发和环境保护提供了新的思路。
第四章纳米光子学技术的挑战与展望4.1 技术挑战纳米光子学技术的研究面临一些技术挑战。