《PriniplesofNano-optics》教材评介

《Principles of Nano-optics》教材评介

张英杰（南开大学物理科学学院）

1 本书的出版与作者情况

《纳米光学原理》一书2006年由英国剑桥大学出版，全书共539页，是由Lukas Novotny和Bert Hecht合著的。

Lukas Novotny 是美国罗彻斯特大学光学与物理学专业教授，是光学学院的纳米光学学科带头人。他从瑞士联邦理工学院获得博士学位，之后进入了美国西北太平洋国家实验室从事化学结构与动力学方向的研究。他于1999年起开始在罗彻斯特大学任教，正是他教的纳米光学课程的内容构成了这本书的基础。现在他的主要研究方向是纳米尺度的光与物质相互作用。

Bert Hecht是瑞士巴塞尔大学物理学院纳米光学的教授，是纳米光学的学科带头人，同时他也是瑞士国家技术中心纳米光学方向成员。他毕业于德国康斯坦茨大学，之后进入IBM的苏黎世研究实验室从事近场光学显微镜与等离子体方面的研究。他于1996年获得了巴塞尔大学的博士学位，之后在瑞士联邦理工学院的物理化学实验室进行单分子光谱学及扫描探测技术的研究，并与2002年获得了物理化学任教资格证书。他在2001年成为了瑞士国家基金会赞助教授，从此开始在巴塞尔大学任教至今。

2 本书的创作背景

纳米光学是一门新兴的交叉学科，作为古老的光学与新兴的纳米科技的统一体，此学科有其全新的研究与应用价值，其研究成果已经

在生产生活各方面中得到了广泛应用。但由于其研究内容的特殊性与交叉性，直到2006年这个学科才有了第一本教科书。该书主要是针对研究生写的关于纳米光学的教科书，书中的内容基本上都是来自美国罗彻斯特大学和瑞士巴塞尔大学光学专业的研究生课堂讲义。作者对纳米光学的基本原理作了全面的概括，为从事此方向研究的科学工作者提供了重要的参考资料。

3 本书的主要内容

从传统上讲，光学既包含基础科学（如量子光学）也包括应用科学（如光通信）。因此，纳米光学可以被定义为包括基础纳米科学和纳米应用科技在内的所有纳米量级的光学分支。

在纳米科技方面，此书包含了纳米平板印刷术、高分辨率光学显微镜和高密度光学数据存储等内容。在基础科学方面，此书讲述了原子与光子在光学近场相互作用等课题。与在自由空间传播的光相比，光学近场中引入了虚拟光子这个与指数衰减场相对应的新概念。虚拟光子可被用来描述一般的局域非传播场。它也是分子间力（范德瓦尔斯力和卡西米尔力）的作用因子，因此可用它来探测分子结构。在量子光学中，虚拟光子这一概念可以拓宽基础光学实验研究的范围，从而得到新的可应用到实践中的结果。总的来说，此书从基础概念与实际应用两方面对纳米光学作了全面的介绍。

此书开头部分对纳米光学的理论基础作了全面的总结。在各种尺度下都成立的麦克斯韦方程组为纳米光学奠定了坚实的基础。由于光学近场经常与物质相互联系，此书介绍了各种物质结构和复介电常

数。纳米光学的研究系统一般都要分成若干个空间部分，这些部分由边界相连接。因此，此书在各个由均匀介质组成的子系统中分别表述了麦克斯韦方程，并推导了各个边界条件。接着此书介绍了在纳米光学中常用的一些数学方法，如格林函数和角谱等。其中对角谱的处理是讨论倏逝波的重要方法。

在纳米光学中，限制光的尺度一直是一个重要课题。此书的第三章就分析了在传统方法（如显微技术和其它数值孔径聚焦光学技术等）中能达到的最小光学尺度。在分析了在傍轴近似下的聚焦场（即高斯光束）后，此书又讨论了现代光学中用到的各种非傍轴近似聚焦场。

对于显微镜来说，空间分辨率是最重要的参数。虽然空间分辨率有多种定义形式，但它们都与衍射极限有关。此书第四章对它们的物理基础作了分析，并进一步讨论了可用于提高光学显微镜空间分辨率的各种方法。最后还介绍了饱和效应，并分析了空间位置精确度与分辨率这两个概念的差别。

接下来的三章介绍了纳米光学在在近场光学显微技术中的实际应用。其中第五章讨论了从共焦显微技术到各种最近出现的近场技术这一系列高分辨显微技术。第六章处理光如何被压缩到亚波长尺度这一重要的技术问题。这其实是所谓光学探针的范畴，这种探针有尖锐的顶端，并在顶点处产生局域的高强度光场。第七章则介绍了用这种光学探针扫描带侧样品表面的具体方法，讨论了测量探针和样品之间相互作用力（剪力）的方法。总的来说，这三章讲述了近场光学显微

技术的基本知识与各种现代技术手段。

此书接着讨论了纳米光学的更基本的理论问题，即光发射与纳米量级环境中各种光学相互作用的问题。第八章先阐述了微小粒子（原子、分子）因电子态跃迁而发光这一问题可以用偶极子辐射来近似处理，然后仔细讨论了偶极子辐射场的特点以及其与外界环境的相互作用。接下来这一章又讨论了在复杂环境中粒子的自发辐射跃迁，最后处理了偶极子相互作用、能量转移和激子耦合的问题。

从理论上介绍了偶极子辐射问题后，此书的第九章从实验方面介绍了对诸如荧光分子与半导体量子点等单量子辐射源的探测问题。具体包括饱和计数率、系统动力学方程求解、量子辐射源发出的非经典光统计场和波函数协变控制等。最后此章还详尽地介绍了利用单辐射源得到空间局域场分布的方法。

第十章进一步讨论了在纳米量级环境中的偶极子辐射问题，仔细处理了在平面分界面附近偶极子辐射的问题，并计算了偶极子的辐射场分布与辐射衰减速率。此章最后还讨论了如何利用电像法近似处理这个问题。

如果把一个平面换成按一定规律排列的多个平面，就得到了所为的光晶体。这种结构性质可用凝聚态物理中能带的理论来解释，光在带隙中不能存在。像真正的晶体一样，光晶体中的缺陷也会导致定域态的出现。这种缺陷结构在纳米光学中具有重要的意义，因为它们可以被看做具有高质量因数的微小腔结构。

第十二章主要探讨表面等离子体的问题。具有各种几何结构的金

属的表面自由电子振荡可以与光场相互耦合，并产生局域的高强度光学近场。这一章对这一课题进行了基础性的介绍，内容包括贵金属的光学性质、薄膜等离子体和颗粒等离子体等。

接下来的一章介绍了在局域场中的光学作用力。此章根据麦克斯韦作用力张量推导出来了一个可根据场分布计算出任意形状粒子受到的光压的理论，然后缩小了讨论范围，介绍了对微小颗粒的偶极子近似。这一章还介绍了一些实际应用，如光学镊子等。最后还讨论了利用光场转移角动量以及光学近场力的问题。

第十四章介绍了另外一种力，即包括卡西米尔-波尔德力和电磁摩擦力在内的与电磁场涨落有关的力。同时此章还讨论了涨落源辐射的问题。

这本教科书总结了在纳米光学中常用的各种理论方法。但是如果没有足够强大的数值计算方法的话，在纳米光学领域是无法做出任何有价值的工作的。因此，此书的最后一章就介绍了一些重要的数学方法，并讨论了他们各自的优缺点。

4 本书的主要特点

该书主要是针对研究生写的关于纳米光学的教科书，书中的内容基本上都是来自美国罗彻斯特大学和瑞士巴塞尔大学光学专业的研究生课堂讲义。总结起来，该书有如下特点：

（一）理论讲解深入浅出

该书在第二章就总结了全书的基本理论基础，其中最重要的就是麦克斯韦方程组和格林函数。在以后的各章中，理论讲解都十分详细，

而且十分深入。有些章节的理论讲解还综合了从麦克斯韦方程出发的经典电动力学与从薛定谔方程出发的量子力学知识，从两个方面进行推导并比较了他们的异同。该书从最基本的物理学理论出发，经过一系列简明又清晰的推导，得出了许多现代纳米光学的研究中经常用到了理论。从这个角度说，该书非常适合做研究生课程的教材。

（二）理论联系实际

该书不仅理论脉路清晰，而且具有很强的针对性。在每一部分理论讲解完后，都会介绍这些理论在当前的实际应用。由于纳米光学是一门新型的交叉学科，因此这方面的实际应用课题都十分前沿，包括书中讲到的光学探针、半导体量子点、光晶体、光学镊子等。该书从最近基础的理论出发，一直讲述到最前沿的应用课题，各个部分的衔接非常自如，使欲从事纳米光学研究的读者能迅速掌握相关前沿领域的基本知识，从而进入自己的研究课题中。对于学有余力的物理学或光学专业本科生来说，阅读该书也有助于更深入地理解已学到的基本专业知识，并扩展自己的知识面。

（三）可读性强

该书的各个章节都有大量的插图，使读者能对理论知识有更形象的理解，并直观地认识具体的实验装置及研究成果。各章的章末都有针对性的习题，方便读着检测自己的阅读效果，并加深对相关理论的理解。章末还详细列举了书中引用过的近期文献，方便读者进一步了解相关领域的最新研究成果。以上这些特点使该书有很强的可读性，因此读者不会对这本理论性很强的书感到厌倦。

5 学术价值

纳米光学是古老的光学与新兴的纳米科学的结合体，研究内容是纳米量级的光学现象和技术。由于可见光波长为几百纳米，因此纳米光学的研究尺度正好处于光的衍射极限附近，这就决定了其特殊的地位与研究方式。这本纳米光学的教科书的理论基础包含了经典与量子两部分，介绍的课题也包括了量子光学、生物物理等多各学科。该书把看似杂乱无章的各种纳米光学现象作了总结，并从最基本的原理出发解释了这些现象。它既可作为研究生的入门教材，也可作为纳米光学研究者及教授们的参考书。

6 社会反映

丹麦奥尔堡大学的Ole Keller如此评价该书：“纳米光学与近场光学的主要内容基本相同，而Lukas Novotny和Bert Hecht的《Principles of Nano-Optics》一书为读者提供了近场光学中重要理论概念和实验技术的全面总结……总的来说，我很喜欢这本书中作者的表述方法，并且认为它能使学生对纳米光学领域有更广泛的了解。”[2] 美国哈佛大学的网站上这样评论到：“在《Principles of Nano-Optics》中，作者对纳米光学相关理论和实验原理进行了综合性的总结。作者有着广泛的知识面，他们的书中覆盖了从量子光学到生物光学等一系列学科中的纳米光学现象，介绍并详细阐述了所有相关的重要方法。这本书是第一本纳米光学的教科书。”[3]

7 附：各章节目录

1、引言

1.1纳米光学综述1.2历史发展过程1.3本书内容框架

2、理论基础

2.1宏观电动力学

2.2波动方程

2.3组成关系

2.4变动场的光谱表述

2.5时间协变场

2.6复介电常数

2.7分区均匀介质

2.8边界条件

2.8.1菲涅尔反射透射系数

2.9能量守恒定律

2.10二元格林函数

2.10.1格林函数的数学基础

2.10.2电场格林函数的推导

2.10.3含时格林函数

2.11倏逝场

2.11.1倏逝波对能量的传播

2.11.2受抑全内反射

2.12光场的角谱表述

2.12.1偶极子辐射场的角谱表述

3、光场的传播与聚焦

3.1场传播子

3.2光场的傍轴近似

3.2.1高斯激光束

3.2.2高阶激光模式

3.2.3聚焦区的纵场

3.3极化电场和极化磁场

3.4角光谱表述中的远场

3.5场聚焦

3.6聚焦场

3.7高阶激光模式聚焦

3.8弱聚焦的极限

3.9在平面分界面附近的聚焦

3.10强聚焦点的反射像

4、空间分辨率和位置准确度

4.1点分布函数

4.2分辨率极限

4.2.1通过选择性激发提高分辨率

4.2.2轴分辨率

4.2.3通过达到饱和态增强分辨率

4.3共焦显微原理

4.4多光子显微技术中的轴分辨率

4.5位置准确度

4.5.1理论背景

4.5.2对合适参量不确定度的估算

4.6近场光学显微原理

4.6.1从近场到远场的信息传递

5、纳米光学显微技术

5.1远场照明和探测

5.1.1共焦显微技术

5.2近场照明和远场探测

5.2.1孔径扫描近场显微技术

5.2.2增强场扫描近场显微技术5.3远场照明和近场探测

5.3.1扫描隧道光学显微技术

5.3.2聚集态近场光学显微技术5.4近场照明和近场探测

5.5其他结构：能量转移显微技术

5.6小结

6、近场光学探针

6.1绝缘探针

6.1.1锥形光纤

6.1.2四面体尖端

6.2圆锥形绝缘探针中的光传播

6.3孔径探针

6.3.1经过孔径探针的能量传输

6.3.2小孔径附近的场分布

6.3.3孔径探针的近场场分布

6.3.4传输效率和方向性的增强

6.4孔径探针的制造

6.4.1聚焦离子束辗磨制做孔径

6.4.2通过电化学方法开启与关闭孔径

6.4.3孔径钻孔器

6.4.4微加工探针

6.5光学天线：尖端、散射体和电形联接天线

6.5.1实金属尖端

6.5.2颗粒-等离子体探针

6.5.3电形联接天线探针

6.6小结

7、探针与样品的距离调控

7.1剪力方法

7.1.1作为共振束的光纤

7.1.2音叉感应器

7.1.3有效谐振器模型

7.1.4反应时间

7.1.5等效电路

7.2法向力方法

7.2.1敲击模式下的音叉

7.2.2弯曲的纤维探针

7.3地形学的人工制品

7.3.1人工制品的现象学理论

7.3.2近场人工制品举例

7.3.3讨论

8、纳米量级环境中的光发射和光学相互作用

8.1多级展开

8.2经典粒子-场哈密顿量

8.2.1相互作用哈密顿量的多级展开

8.3辐射点偶极子

8.3.1均匀环境中的电偶极辐射场

8.3.2偶极辐射

8.3.3非均匀环境中的能量耗散率

8.3.4辐射反作用

8.4自发辐射衰减

8.4.1自发辐射的量子电动力学理论

8.4.2自发辐射衰减和二元格林函数

8.4.3定域态密度

8.5经典辐射寿命和衰减速率

8.5.1均匀环境

8.5.2非均匀环境

8.5.3频率变化

8.5.4量子产率

8.6偶极子相互作用和能量转移

8.6.1库伦作用的多级展开

8.6.2两粒子间的能量转移

8.7离域激发

8.7.1纠缠态

9、量子辐射源

9.1荧光分子

9.1.1激发

9.1.2弛豫

9.2半导体量子点

9.2.1表面钝化

9.2.2激发

9.2.3激子的同步处理

9.3吸收截面

9.4三能级体系的单光子辐射

9.4.1稳态分析

9.4.2随时间变化的分析

9.5单分子探测定域场

9.5.1激光焦点的场分布

9.5.2探测强定域场

9.6小结

10、平面分界面附近的偶极辐射

10.1允许光与禁戒光

10.2二元格林函数的角光谱表述

10.3二元格林函数的分解

10.4反射和透射场的二元格林函数

10.5平面分界面附近的自发辐射衰减速率

10.6远场

10.7辐射场分布

10.8辐射走向

10.9磁偶极子

10.10偶极子电像近似

10.10.1垂直偶极子

10.10.2水平偶极子

10.10.3阻滞作用

11、光晶体和共振器

11.1光晶体

11.1.1光子能带

11.1.2光晶体中的缺陷

11.2光学微腔结构

12、表面等离子体

12.1贵金属的光学性质

12.1.1德鲁德-索莫菲理论

12.1.2带间跃迁

12.2平面分界面处的表面等离子体激元

12.2.1表面等离子体激元的性质

12.2.2表面等离子体激元的激发

12.2.3表面等离子体传感器

12.3纳米光学中的表面等离子体

12.3.1电线和颗粒中的等离子体

12.3.2更复杂结构的等离子体共振

12.3.3表面增强拉曼散射

12.4小结

13、局域场中的力

13.1麦克斯韦压力张量

13.2辐射压

13.3偶极子近似

13.3.1对时间平均的力

13.3.2单色场

13.3.3近共振激发的饱和特点

13.3.4偶极近似修正

13.4光学镊子

13.5角动量和力矩

13.6光学近场中的力

13.7小结

14、涨落引起的相互作用

14.1涨落耗散定理

14.1.1系统感应函数

14.1.2约翰逊噪声

14.1.3外场涨落引起的耗散

14.1.4正序和反序

14.2涨落源辐射

14.2.1黑体辐射

14.2.2共振、光谱移动和热量传递

14.3涨落引起的力

14.3.1卡西米尔-波尔德势

14.3.2电磁摩擦

14.4小结

15、纳米光学中的理论方法

15.1复合多级法

15.2体积分法

15.2.1体积分方程

15.2.2力矩方法

15.2.3耦合偶极子方法

15.2.4力矩法与耦合偶极子法的等效性

15.3有效极化率

15.4总格林函数

15.4小结和展望

附录A、原子极化率的半分析性推导

A.1弱激发场的稳态极化率

A.2无衰减的近共振激发

A.3有衰减的共振激发

附录B、弱耦合体系的自发辐射B.1Weisskopf-Wigner理论

B.2非均匀环境

附录C、分层基底附近的偶极子场C.1垂直电偶极子

C.2水平电偶极子

C.3系数

j

j

j

C

B

A和

,的定义

附录D、远场格林函数

参考文献：

[1] Lukas Novotny, Bert Hecht. Principles of Nano-Optics. Cambridge Unviversity Press, 2006: 1-539

[2]

https://www.360docs.net/doc/5d19319712.html,/workgroups/novotny/papers/physicstoday .pdf

[3] https://www.360docs.net/doc/5d19319712.html,/abs/2006pno..book.....N