第六章 纳米光子学
纳米光子学原理研究
纳米光子学原理研究随着科技的发展，纳米技术正在被广泛研究和应用，尤其是在光学领域。
其中一门重要的学科是纳米光子学，即研究纳米尺度下光的相互作用和调控的学科。
本文将介绍纳米光子学的原理、研究方法和应用前景。
一、纳米光子学的原理纳米光子学的原理基于光的特性和纳米材料的结构。
光是一种电磁波，它在空间中传播时会受到材料的折射、反射和干涉等效应的影响。
当光与纳米尺度的物体相互作用时，光的行为会发生显著改变。
这是因为纳米尺度的物体具有特殊的形状和结构，可以对光进行强烈的局域化调控。
纳米光子学的研究对象包括纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米孔洞等。
这些纳米结构可以通过制备方法控制其形貌、尺度和分布，从而实现对光的调控。
例如，纳米颗粒可以通过表面等离子共振的效应吸收和发射光，纳米线可以作为激光器的增益介质，纳米片和纳米孔洞可以用于调制光的传播和波前调控。
二、纳米光子学的研究方法纳米光子学的研究方法主要包括制备纳米结构和表征光学性质两个步骤。
制备纳米结构的方法多种多样，常用的包括物理气相沉积、溶液法制备、电子束曝光和纳米压印技术等。
这些方法可以实现从二维到三维的纳米结构制备，并且具有高精度和可扩展性。
表征光学性质的方法主要包括光谱学、显微镜等。
光谱学可以通过测量材料在不同波长下的吸收、发射和散射来研究其光学行为。
显微镜可以观察材料的形貌和局域化光学现象，例如局域表面等离子共振和增强拉曼散射等。
三、纳米光子学的应用前景纳米光子学在许多领域具有广泛的应用前景。
首先，纳米光子学可以用于光学信息存储和传输。
通过将纳米结构嵌入到光学存储介质中，可以实现高密度和高速度的信息存储和读取。
此外，纳米光子学可以用于提高光纤通信系统的传输性能，例如通过引入纳米颗粒来增强光纤的非线性效应，实现光纤通信的非线性光学信号处理。
其次，纳米光子学在传感和检测领域具有潜在应用。
纳米结构可以通过与目标分子相互作用来改变其光学性质，从而实现对目标分子的高灵敏度检测。
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
纳米光子学中的量子光学效应研究
纳米光子学中的量子光学效应研究纳米光子学是近年来兴起的一门交叉学科，它将纳米科技与光子学相结合，研究纳米尺度下的光与物质相互作用。
而其中的量子光学效应则是纳米光子学中极为重要的一部分。
量子光学是一门研究光与物质相互作用的学科，以量子理论为基础，探索光子的量子特性。
而在纳米光子学领域，我们研究的是纳米级尺度下的光子行为，探究量子效应在纳米尺度下的表现。
在纳米光子学的研究中，量子光学效应的研究是非常重要的。
首先，量子光学效应可以帮助我们了解光与物质的相互作用机制。
例如，我们可以通过研究量子光学效应来探索光与纳米材料之间的能量传递、电子跃迁等过程，从而为纳米材料的光学性质设计与调控提供理论依据。
此外，量子光学效应还可以用来研究纳米材料的荧光增强、单光子发射等现象，为单分子探针、量子信息处理等领域提供基础。
同时，量子光学效应还可以应用于纳米器件的制备与光控制。
例如，通过利用量子光学效应，结合纳米制造技术，可以制备出具有特殊光学性质的纳米结构。
这些纳米结构可以用于制作高效率的太阳能电池、超分辨显微镜、纳米光子集成电路等器件。
此外，还可以利用量子光学效应在纳米尺度上实现光的调制、开关等功能，为纳米光子学和光电子学领域的发展提供技术支持。
最近，研究人员在纳米光子学中的量子光学效应方面取得了一系列重要进展。
例如，他们发现了表面等离子体耦合的量子光学效应，即在纳米结构表面激发的等离子体可以与光子相互作用，产生一系列新的光学效应。
这项研究不仅拓宽了我们对纳米光子学中量子光学效应的认识，同时也为纳米光子学的应用提供了新的思路。
除了表面等离子体耦合的量子光学效应外，还有许多其他类型的量子光学效应在纳米光子学领域引起了广泛关注。
例如，纳米材料的光学增强效应、拉曼散射增强效应等，都是纳米光子学中的重要研究课题。
这些量子光学效应的研究不仅有助于我们深入理解光与物质的相互作用机制，还为纳米器件的设计与制备提供了新的思路。
值得一提的是，纳米光子学中的量子光学效应研究不仅限于理论模拟和实验探索，还需要与其他学科相结合，例如材料科学、电子学、计算机科学等。
纳米光子学中的基础和应用研究
纳米光子学中的基础和应用研究随着科学技术的不断发展，纳米光子学这门学科逐渐受到研究者们的重视。
纳米光子学是光子学在纳米尺度下的应用，它研究纳米尺度下光的行为和相互作用，探索光子与物质的相互作用规律。
它所涉及的研究范畴非常广泛，包括纳米结构的制备、光学成像、生物医学、信息技术等等。
本文旨在探讨纳米光子学中的基础和应用研究。
一、纳米光子学的研究进展纳米光子学的研究起源于人们对光的探索，特别是近年来人们对纳米尺寸下光的作用机理和性质产生了浓厚的兴趣。
光的波长非常小，它不仅可以作为一种信号传递媒介，还可以用来探测和操作微尺度物体。
在纳米尺度下的应用非常广泛，包括生物医学、信息技术、材料科学等等。
一直以来，科学家们通过制备纳米结构来控制光在纳米尺度下的行为。
随着制备技术的不断提高，人们可以制备出各种各样的纳米结构，从而开辟了更广阔的研究空间。
例如，金属纳米颗粒可以在可见光范围内吸收和散射光线；纳米线的结构可以对光做出高度敏感的反应等等。
二、纳米光子学中的基础研究纳米光子学的基础研究主要涉及到物质对光的相互作用和光的传输过程，了解这些知识对开展纳米光子学的应用研究非常重要。
主要包括以下方面：1.表征光的传输光的传输是纳米光子学中的基础，了解光的传输机理对纳米结构的设计和制备非常重要。
一般来说，纳米结构的形状、大小、材料等不同因素都会影响光的传输。
利用场效应可以实现光的局部增强，这对于极低浓度的物质检测和生物医学中的成像非常有帮助。
2.控制光的传输光的传输不仅需要进行表征，还需要进行控制。
例如，可以通过表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance）来调制光的传输，从而实现物质的探测。
此外，在光学天线、光传输散射和激光聚焦等方面也具有广泛的应用。
3.探究材料光学性质纳米尺寸下，材料的光学性质会发生显著变化。
例如，离子对的存在会改变材料的折射率；材料微结构的改变会引起光的散射和吸收等。
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。
纳光子学总结
1纳光子学简介•什么是纳光子学？纳米光子学是硏究纳米尺度下光的行为、光与物质相互作用的科学与技术。
纳米光子学横跨光学、光学工程、电子工程、纳米科技等多个领域。
纳米光子学的革命性变革：利用纳米操控这一极大自由度、在纳米尺度下利用人工结构实现对光物相互作用的有效调控。
•纳米光学分为几个部分？1.材料的纳米约束：在纳米尺度下制备不同大小、形状及材质的纳米金属颗粒，呈现出不同的光学响应。
比如表面等离激元共振提升太阳能电池效率，在医疗的应用等。
2.辐射的纳米约束：比如表面等离激元实现亚波长能量局域，实现能量的传输和会聚，如破衍射极限等。
3.纳米尺度的光学操控：目前的纳米加工技术可以制备各种一维/两维/三维的纳米结构。
例如：利用双光子干涉技术制备的纳米牛（7微米\借助微波天线的槪念设计纳米天线；实现单量子点的光学定向辐射。
•纳米光子学的代表性子领域有哪些?表面等离激元：金属中自由电子与光的相互耦合形成的电磁本征态，具有亚波长特性和局域场增强特性。
等离激元器件同时具有尺寸小、频率高的特性。
等蔑子体光学被视为链接传统光子学和电子学的理想桥梁。
光子晶体：由不同折射率的介质按周期，住排列的成的规则光学结构，会产生光子带隙。
超材料:由亚波长人工原子组成的人工复合材料，它具有天然材料所不具备的超常物理性质；超材料中的人工原子类似自然材料中的自然原子。
2纳光子学基础-S光子和电子的比较光物相互作用的核心？一一光与物质中电子的相互作用；首先，需要了解光子与电子之间的关系：光子是电磁能量的基•本单元；电子是带电粒子的戛本单元。
光子和电子都具有波粒二象，性。
二・光子和电子的局域三、光子和电子的＜8穿效应• 什么是光子理穿效应？光在发生全反射时，根据系统的平移不变性，反射光和折射光水平波矢守恒，电磁波光疏媒质中以衰逝波存在，当远曳界面时空气中电磁能量指数exp（-az）衰减；对于介质/空气/介质系统（〃1/出/〃1），部分全反射光可能燧穿过中间的光疏媒质，产生光子燧穿效应。
纳光子学总结
3.纳米尺度的光学操控：目前的纳米加工技术可以制备各种一维/两维/三维的纳米结构。例如：利用双光子干涉技术制备的纳米牛（7微米）。借助微波天线的概念设计纳米天线；实现单量子点的光学定向辐射。
纳米光子学的代表性子领域有哪些？
多量子阱激光器：多量子阱激光器具有更高的输出功率，相对单量子阱而言，需要更强的注入电流密度。
量子点激光器：相较量子阱激光器，量子点激光器阈值电流更低，调节频率更高、对温度变化的耐受性更高。由于态密度非连续性，量子点激光器增益曲线更窄。量子点激光器制备上的挑战：量子点尺寸的不均匀性要小，以减少非均匀展宽；量子点点阵中缺陷会削弱激光辐射。
间接带隙材料跃迁几率增加：当间接带隙半导体接近于纳米尺寸，根据海森堡不确定性原理，材料尺寸越小，k不确定性变大，满足动量守恒几率增加，跃迁几率增加
在外加电场的作用下半导体材料出现的效应？
Franz-Keldysh效应：在外加电场的作用下，体半导体材料吸收带会出现low-energy tail。原因：电场引入能带偏移；效应：电场引入分离Exciton谱线展宽。
（2）量子燧穿效应
（3）近场耦合增强光和物质相互作用
五、转移矩阵方法（
什么是转移矩阵方法？
转移矩阵方法用于计算一维、两维、三维系统光学媒质中的光场分布、透反射系数、能带结构等。转移矩阵建立起两种媒质交界面两侧电磁场间的关系；传播矩阵建立起同一媒质中不同位置处电磁场间的关系。转移矩阵和传输矩阵的组合可以构建起光子系统中任意位置电磁场间的关系，即可以描述电磁波在光学媒质中的传播过程。
间接带隙半导体：价带和导带边在k轴不同点；受限于动量守恒条件，电子不易从导带跃迁回价带（需要额外动量），发光效率低。
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光学特性通过反射测量得到
SPP的特点：
- EM场的强局域化；易于得到强的局部场强。
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色散关系
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传播长度
SPP的激发
δm-光在金属中的 衰减长度；
δd-光在介质中的传 播长度；
δsp-SP的传播长度；
• SP对于所有能量处于光的色散下方，对任意角度都 具有大的动量，因此 SP不能被平面波直接激发； • 必须提供额外的动量，方能激发SPP. • 利用光栅或全内反射技术匹配入射光和SP的动量
相关理论的提出
微波实验证实 第一步STM诞生 近场光学技术与STM结合 发展具有光学回馈的NSOM且开
启了以腐蚀方法制作探针
1992 AD Eric Betzig 近场光学技术与AFM的结合
• 近场光学主要探测的是束缚在物体表面的非辐射场。普通 光学成像的分辨率由于受到衍射极限的限制, 理论上不能超 过入射光波长的一半, 在可见光范围内,这一值约为200 nm 。当入射光通过一个直径小于波长的小孔时,样品上只有相 当于小孔直径的范围被照射,此时扫描成像的分辨率将取决 于探针的最小尖端的直径以及探针样品间距。 • 近场光学的本质是探测由物体衍射产生的携带低于λ/2空间 频率的传导分量和携带高于λ /2空间频率的非辐射分量即: 倏逝场或隐失场(evanescent field)分量。而隐失场的有效 范围仅限于一个波长以下,所以当使用纳米尺度的探头在样 品近邻扫描时,理论上可以将衍射场的非辐射分量记录下来 并转换为传导分量,从而极大地拓宽系统频带,因此可以获得 超高分辨率。从而突破了光学衍射极限。
等离子体子(Plasmon)
• 定义: 金属中准自由电子的集体振荡的本征 • 有由于电子带有电荷,电子的振荡与外电磁场有关. • 理论上对集体振荡的描述应包括电子和外场的相 互作用. • 电磁场的不同的边界条件导致多种Plasmon形式: 体等离子体子,表面等离子体子以及粒子等离子体 子. • 历史上, 1907年Zenneck和1909年Sommerfeld在 无线通信领域研究过.但集中在低频段.
To test the real LDOS the tip should act as a perfetct dipole at a nanometric distance from the surface. Real tips always pertirb the LDOS and what is measured is the combined LDOS of the sample and the tip!
Feedback xyz piezo
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Aperture SNOM • Typical set up
• The tip should be kept at a controllede distance from the sample surface
• Feed back mechanism: shear force (similar to AFM tapping mode) • Feedback detection: quartz oscillator (STM current is not suitable for biological samples; optical methods are disturbing the optical response).
近场显微术
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Aperture SNOM
• The near field decays exponentially with distance • The tip should be kept at a controllede distance from the sample surface • Feed back mechanism: shear force (similar to AFM tapping mode) • Feedback detection: quartz oscillator (STM current is not suitable for biological samples; optical methods are disturbing the optical response).
•Operational modes
Piezo actuator
Aperture SNOM
Electrodes
Illumination
Impedance detector
Collection
Illumination collection
Байду номын сангаас
Reflection collection
Transmission Transmission collection illumination
feedback control
xyz Scanner
Detector
Heating and pulling method
heating
Aluminum vapor
pulling breaking Monochromator
Aperture SNOM
• SNOM tips • Calculation of the distribution of electric field as a function of the tip geometry
Aperture SNOM • SNOM tips - pulling
Metal coating Core Cladding
Light propagation
Source: InAs Qdot Point like source l /40 below the surface
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Aperture SNOM • SNOM tips - etching
Topographic image Optical fiber Pol. control
Aperture SNOM • SNOM tips
Laser
Turner etching method Hydrofluoric acid Chemical etching Inverted optical microscope nf optical image Optical fiber Al coating Glass
optical quantum corral optical quantum corral
Light Polarization control Elliptical mirros that selects only the near field radiation (propagating radiation is not allowed in the “forbidden light region with q>qc The signal is 0 only closo to the sample Teorical optical LDOS in x, y and z direction
• 很多宏观结构中都存在全反射引起的倏逝波场， 如光在普通光纤传输中的Goos-Hanchen效应。 • 若将光纤或波导直径降低 到亚波长或纳米量级，光传 输中的倏逝波场变得特别明 显并有可能占主导地位。
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近场光学的历史
1928 AD E. H. Synge ( England ) 1956 AD O’Keefe 1973 AD Ash & Nichols 1982 AD G. Binning & H. Rohrer 1984 AD D. W. Phol 等人 1989 AD R. C. Reddick 等人
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Aperture SNOM
• optical quantum corral
The experiment:
Testing the subwavelkenght modulation induced on the local density of states of the optical modes by the fabrication of nanometric opticla corrals Substrate ITO Modulators 100nm100nm50nm gold particles deposited by e-beam lithography
Metal coating Core Cladding
Light propagation
NSOM 应用的优点
与传统光学显微镜比较
衍射极限的突破 ─大幅降低设备成本 理想透镜可分辨的最小距离 D D=
Holes are dug by various methods: The best results are obtained by FIB
金属光学
“Labors of the Months” Norwich, England ca. 1480
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• 电磁场中的自由电子气体: Drude模型
电子驰豫时间:
• 在等离子体频率 以上，金属透明； • 等离子体频率以 下，为负，场指 数衰减，金属反射 光。
• Drude模型适用于低能量情况,高能量区偏差较大.
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第六章 纳米光子学 6.1 近场光学
6.1 近场光学 6.2 表面等离子体光学 6.3 其他应用
倏逝波
• 光学倏逝波（Evanescent wave): 几乎在所有的光与 材料相互作用的过程中都存在倏逝波，在宏观尺度的 材料和结构中，倏逝波往往由于不明显而被忽略，但 在与波长相当或比波长更小尺度的微纳结构中，倏逝 波可以起主导作用。 • 倏逝波或倏逝场是束缚于材料表面的非辐射场。 • 四百年前，牛顿所做的棱镜受拟全反射（frustrated total reflection）就显现倏逝波现象。